Presentazione di Manuele Marconi sul Led Driver 50W. Seminario LEd: la luce del futuro.

1. Presentazione ed analisi del PFC led driver
Sommario:
• Principi di funzionamento del convertitore
con ausilio di alcune equazioni di progetto
• Problemi legati alla distorsione
• Sezione driver corrente costante
• Presentazione delle misure sulla scheda
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2. Schema di principio per il rifasamento
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3. Flyback in configurazione standard quasi-risonante
Opera in transition
mode, confine tra DCM e
CCM, prendendo il meglio di
entrambi
dal DCM: minimizzazione
dell’induttanza primaria e
migliori prestazioni dinamiche
(assenza dello zero a parte
reale positiva)
dal CCM: alte correnti RMS ma
senza hard-switching sui
dispositivi di potenza
Funzionamento a
frequenza variabile
(dimostrazione dopo)
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4. Flyback in configurazione standard quasi-risonante
In fixed frequency la
riaccensione può
avvenire anche a
tensioni più elevate
della batteria stessa
In TM realizzare nel
trasformatore un’alta tensione
riflessa permette di iniziare la
fase di Ton con una tensione
TM
di drain molto più bassa,
quindi con minor capacità da
scaricare
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5. Flyback in configurazione PFC quasi-risonante
Utilizzo del controllore PFC TM
L6562A di STMicroelectronics
• Integra le funzioni di supervisore
della commutazione e di
regolatore PFC in un unico
dispositivo
• Basse perdite grazie al TM sul
MOS e sul ponte diodi grazie al
rifasamento
L6562A al costo di:
• Risposta dinamica povera
• Grosse Cout per contenere la
BW<100Hz
ripple in uscita (migliaia di uF)
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6. Funzionamento del controllore L6562A
Il controllore lavora affinchè la
media della corrente primaria
sia esattamente in fase con la
tensione sinuoidale di rete
raddrizzata, cercando di far
apparire il convertitore alla rete
come un carico resistivo
Prendiamo
e allora:
è costante nel semiperiodo
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7. Funzionamento del controllore L6562A (2)
A regime al secondario invece la tensione a cui è sottoposto l’avvolgimento durante il Toff
è pari alla tensione d’uscita più la caduta sul diodo:
pertanto è variabile all’interno del semiperiodo. Poiché T=Ton+Toff, allora:
cioè il periodo aumenta con la tensione istantanea di linea. [ VR=n(Vout+Vf) ]
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8. Funzionamento del controllore L6562A (3). Sensing di linea
Struttura current-mode
modificata
La soglia di tensione sul
resistore di sense Rs che
spegne il MOS è decisa con
effetto combinato del sensing
di linea e dell’uscita
dell’amplificatore d’errore
(dipendente dal carico del
sistema)
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9. Funzionamento del controllore L6562A (4)
Zona lineare della caratteristica del
MULT compresa tra 0 e 1V circa
Per assicurare l’utilizzo della
massima dinamica di Vcs, il
COMP deve poter assumere tutti
i valori compresi tra 2.5 e 5.75V
Dimensionamento del partitore
di tensione di linea e definizione
dello swing di COMP
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10. Distorsione. Residui di ripple 100Hz all’uscita dell’amplificatore d’errore
Vcomp
Vmult
Inviluppo
corrente
di drain
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11. Ulteriori cause del degradamento del fattore di potenza: dead time allo
zero crossing
Vds
Iin
Funzionamento ottimale
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12. Ulteriori cause del degradamento del fattore di potenza: dead time allo
zero crossing. Soluzioni
1. Ridurre Coss del MOSFET
a. Massima ammissibile Rds,on (per le perdite di conduzione)
b. Minima ammissibile Vdss (rischio avalache e perdite sul clamp)
2. Ridurre la capacità inter-spira dell’avvolgimento primario
a. Minor numero di strati possibile
b. Inserire nastratura isolante tra gli strati
c. Struttura dell’avvolgimento primario a bassa capacità
3. Scegliere un diodo al secondario a bassa capacità di giunzione
a. Quanto più veloce possibile (trr)
b. Minor possibile tensione di forward di picco
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13. Ulteriori cause del degradamento del fattore di potenza: dead time allo
zero crossing. Soluzione a gradino saturo
Finchè la corrente di
drain (all’inizio e alla fine
della semionda, a ridosso
dello zero) è bassa, la
parte di gap più piccola
produce un valore più
alto di induttanza
primaria, tenendo più
bassa la frequenza
operativa.
Quando invece la corrente di drain è elevata, la Anche il Ton non sarà
sezione di nucleo più piccola è satura, e più costante nel
l’induttanza si stabilizza al valore più basso. semiperiodo
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14. Degradamento del fattore di potenza dovuto al Cbulk
Tensione
di batteria
Un Cbulk troppo elevato non permette, specie a carico basso, di ottenere sul MULT
un riferimento nullo nel passaggio sullo zero della tensione di batteria.
Attenzione però al filtraggio delle armoniche di commutazione verso la rete! Bisogna
bilanciare a monte del bridge con filtraggio più efficace
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15. Realizzare un controllo CVCC
Tipica dei carica batterie
Il pilotaggio di LED ad alta
luminosità deve essere effettuato
a corrente costante, pertanto
lungo questo lato della
caratteristica V-I
reale ideale
La limitazione in tensione torna
allora utile come protezione, ad
esempio quando si collega un
numero troppo alto di LED in serie
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16. Modifiche alla regolazione secondaria standard
Regolazione CV Regolazione CVCC
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17. Il regolatore TSM1052
Integra i due operazionali open drain in OR
per loop di tensione e corrente e il riferimento
di tensione.
Implementa anche tutte le funzionalità del
TL431 (riferimento di tensione a 1.21V
anziché 2.5V)
Ha ampio range di tensioni di alimentazione
rendendolo adatto a numerose applicazioni
200mV
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18. La realizzazione Magnetica (50W)
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19. Prestazioni @ 80% load
180Vac 230Vac 265Vac
Vout [V] 52 51.6 51.5
Vripple (pp/rms) [V] 2.69/0.88 3.06/0.95 3.12/0.98
Iout (average) 800mA 790mA 790A
Ripple current
Iout (ripple p/p) * 370mA 400mA 410mA
elevata
Iin 270mA 210mA 186mA
Pin 48.26W 47.3W 47.2W
PF elevato
cos PHI 0.993 0.983 0.962
Pout 41.6W 40.8W 40.7W
Efficiency 0.86 0.86 0.86
Freq. switch 47kHz 56kHz 60kHz
Carico costituito da una serie di 16 LED Osram LW W5SN
Misure con Cout pari a 470uF+470uF
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20. Effetto della Cout sulla ripple current
Output capacitance Output current
(C12+C13) ripple
2x470uF 400mA
3x470uF 260mA
4x470uF 200mA
2x470uF + 2x1000uF 160mA
2x470uF + 2x1000uF + 3300uF 100mA
I ripple [mA]
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0 2 4 6 8
Cout [mF]
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21. Inviluppo della corrente di drain e riscontro della distorsione
Rete 180Vac Rete 265Vac
Residuo di tensione
su Cbulk
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