Applicazioni LED sotto i 35W, il migliore approccio per il condizionamento della potenza

Il condizionamento della potenza, comprensivo di tecniche di correzione del fattore di potenza (PFC) e minimizzazione della distorsione armonica totale (THD) e delle interferenze elettromagnetiche (EMI), rappresenta una importante componente di qualunque alimentatore per LED. Esistono alcune considerazioni speciali di cui tener conto nelle applicazioni LED che funzionano al di sotto della soglia dei 35W, e il presente articolo ne delinea i relativi compromessi.

L’alimentatore di un sistema di illuminazione a LED deve in buona sostanza occuparsi di tre cose: condizionamento della potenza, conversione della potenza e controllo del carico. Per ridurre i costi delle applicazioni a bassa potenza, in particolar modo di quelle che funzionano al di sotto dei 35W, l’obiettivo è quello di incorporare tutte queste tre funzioni all’interno di un unico stadio. Di tutte le topologie disponibili, solitamente la scelta si restringe a due: una topologia flyback PFC a stadio singolo o una topologia buck-boost PFC a stadio singolo. Ma anche dopo aver scelto la topologia da adottare restano ancora alcune decisioni da prendere.

In particolare esistono diversi modi per gestire il condizionamento della potenza. A seconda dell’approccio impiegato è possibile disattivare la correzione del fattore di potenza (PFC) e la distorsione armonica totale (THD), per cui scegliere l’approccio sbagliato può avere conseguenze su costi e affidabilità. Il presente articolo analizza alcuni elementi da considerare quando occorra valutare una topologia in base alla sua capacità di condizionare la potenza.

Perché la PFC è importante
I circuiti PFC non migliorano l’efficienza dello stadio di conversione della potenza del driver LED, ma spesso sono richiesti per legge allo scopo di calcolare i consumi elettrici con i relativi costi. Diverse normative, come quelle emanate dalla California Energy Commission o dalla Commissione Europea con la Direttiva ErP, prevedono criteri specifici per gestire il fattore di potenza. Il fattore di potenza (pF) è definito come il rapporto tra potenza reale e potenza apparente. Le compagnie elettriche addebitano i consumi in base al wattaggio effettivo utilizzato diviso il valore pF.

Ecco un esempio: per produrre 800 lumen, una lampadina incandescente consuma 60W di potenza con un pF pari a 1,0. Per tenere accesa la lampadina, dunque, il consumatore paga 60W di potenza (60W/1). Una lampadina CFL equivalente produce tuttavia gli stessi 800 lumen con soli 13W e un valore pF pari a 0,5. Il costo d’esercizio di questa lampadina CFL sarà allora di 26W (13W/0,5). Una lampadina LED, infine, richiede solo 9,5W di potenza con un pF pari a 0,98 per produrre 800 lumen. Il consumatore pagherà in questo caso solo 9,7W (9,5W/0,98).

Dal momento che la PFC è un requisito tanto diffuso, è importante utilizzare un alimentatore in grado di supportarla. Alcune topologie propongono la PFC come funzione integrata, mentre altre richiedono che sia il progettista ad aggiungerla separatamente.

A caccia della topologia giusta
Quando il progetto richiede un alimentatore isolato, allora la topologia flyback rappresenta la scelta migliore. In caso contrario, un’efficienza superiore può essere raggiunta mediante una topologia buck-boost. Esistono più opzioni per le configurazioni flyback, pertanto le esamineremo per prime.

Una scelta diffusa per un circuito flyback isolato è quello di utilizzare una tecnica SSR (Secondary Side Regulation), architettura nella quale un optoaccoppiatore, una tensione di riferimento e una bandwidth veloce di 1kHz reagiscono alle variazioni del carico. Questo genere di alimentatore dispone solitamente di un condensatore elettrolitico ad alta tensione situato a valle del raddrizzatore bridge, ma non possiede un circuito PFC integrato.

Vi sono diversi motivi per cui questo genere di circuito costituisce una scelta infelice per i LED a bassa potenza. Per prima cosa, il formato SSR viene normalmente realizzato con un’alimentazione a tensione costante, quando invece i LED sono pilotati meglio da un’alimentazione a corrente costante: per questa ragione è meglio ricorrere a un alimentatore PSR (Primary Side Regulated). In secondo luogo, la presenza di condensatori elettrolitici ad alta tensione può abbreviare la vita utile dell’alimentatore e, in ultimo, dover aggiungere PFC al progetto (mediante un circuito valley-fill o un circuito PFC passivo) aumenta i costi e riduce l’efficienza.

Combinare un controller PSR PWM (Pulse Width Modulation) con un circuito valley-fill per PFC è un’altra opzione, ma il disturbo THD che risulta da questo circuito è normalmente troppo elevato per una lampada a LED; inoltre l’utilizzo di condensatori elettrolitici ad alta tensione può avere conseguenze negative sull’affidabilità.

Un altro approccio, che garantisce una PFC molto buona con basso disturbo THD, ricorre a un formato a due stadi con un circuito PFC boost seguito da un convertitore DC/DC secondario. Ma la presenza di due stadi non è ideale in quanto aumenta le dimensioni e i costi del design, né questo approccio risolve il problema dei condensatori elettrolitici ad alta tensione.

Un altro approccio ancora prevede l’utilizzo di un circuito integrato di controllo della PFC di tipo BCM (Boundary Conduction Mode) o CCM (Critical Conduction Mode) con tempo On costante e commutazione di frequenza variabile. La PFC è buona, ma il design introduce delle restrizioni in merito al rapporto del numero di spire del trasformatore. Queste restrizioni possono costringere ad adottare MOSFET a tensione superiore (800V-900V), che a loro volta possono impattare negativamente sull’efficienza dal momento che possono verificarsi perdite decisamente alte nel MOSFET e nel circuito snubber.

Ottenere una PFC elevata senza vincoli sul rapporto del numero di spire è possibile operando in modalità DCM (Discontinuous Conduction Mode) con tempo On costante e frequenza di commutazione costante per qualsiasi condizione data di linea o di carico. Un’altra opzione può essere un circuito integrato per il controllo flyback quasi risonante (QR) con piedino per alta tensione, soft start e altre caratteristiche.

Fairchild ha sviluppato due controller, i dispositivi FL7732 e FL7730, che utilizzano una topologia DCM a stadio singolo con PSR. In questo caso non occorrono condensatori di ingresso ad alta tensione né circuiterie di feedback SSR. I due controller fanno leva sulla tecnologia Fairchild TRUCURRENT®, che molto successo ha ottenuto nelle applicazioni per caricabatterie. Utilizzando i blocchi di calcolo TRUECURRENT come base, questi integrati aggiungono due funzionalità appositamente ideate per il controllo LED: la compensazione di linea e, nel caso del modello FL7730, anche il controllo del dimming. La Figura 1 mostra il controller FL7732 configurato come driver LED.

Figura 1. Un driver LED basato su FL7732

Compensazione di linea

Nei controller FL7730 e FL7732, il compensatore di linea riceve le informazioni sulla tensione di linea dal pin Vs e le utilizza per modificare la circuiteria della corrente di picco. Questo permette di ottenere tolleranze estremamente ridotte e una regolazione a corrente costante su un ampio intervallo di tensioni di ingresso. La Tabella 1 fornisce i risultati misurati da una scheda di valutazione. Sull’intervallo di tensioni di ingresso compreso tra 11V e 28V, la deviazione della corrente costante è inferiore al 2,1%.

 Tabella 1. Regolazione a corrente costante con compensazione di linea (FL773x)

Dimming
La funzione di controllo del dimming del dispositivo FL7730, mostrata nella Figura 2, è una semplice rete di partitori di resistenze con un filtro RC che converte il duty cycle della tensione di linea AC in una tensione DC; quest’ultima viene quindi istradata sul pin DIM dedicato.

 

Figura 2. Controllo del dimming nel dispositivo FL7730

 

Un blocco di controllo bifase viene utilizzato per bilanciare il valore di current sense misurato e viene mandato in ingresso a un blocco di calcolo TRUECURRENT. Questo modo semplice ed efficace di controllare l’intensità dei LED è utile praticamente con qualunque genere di controlli di dimming, dagli approcci più semplici con ingressi DC e PWM fino ai più complessi come quelli basati su TRIAC.

Flyback o buck-boost
Una topologia buck-boost DCM non isolata è, dal punto di vista del controllo primary-side, praticamente la stessa cosa di una topologia flyback isolata. Per questa ragione il dispositivo FL7732 e le sue versioni con MOSFET integrato FLS3217 e FLS3247 insieme con la versione dimmable FL7730 possono essere utilizzati in una configurazione flyback o buck-boost: tutto quel che occorre è allineare il rapporto delle spire al rapporto di induzione tra l’avvolgimento e l’induttore primario.

Questo può essere un approccio estremamente efficiente se la configurazione LED sfrutta il fatto di non essere isolata e viene definita come stringa di LED ad alta tensione e bassa corrente. Il risultato è un abbattimento delle perdite nel rame (I²R) sui magneti e nessuna perdita nello snubber. La topologia raggiunge un valore pF molto alto con disturbi THD molto bassi.

Conclusioni
Esistono diversi modi per ottenere il condizionamento della potenza nel design di un’applicazione LED a bassa potenza, ma le topologie buck-boost e flyback a stadio singolo con PFC costituiscono generalmente le opzioni migliori. Fairchild ha sviluppato due controller basati sulla comprovata tecnologia TRUCURRENT che rappresentano una buona soluzione per entrambe le topologie. Implementando compensazione di linea e controllo opzionale del dimming, i dispositivi FL773x permettono di realizzare alimentatori per LED ad alta efficienza con un numero inferiore di componenti e con costi minimi.

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a cura di Alexander Craig, Fairchild Semiconductor