Alimentare una Tv a Led

Come molti altri prodotti tecnologici, le televisioni a Led stanno affrontando la sfida legata al crollo dei prezzi di vendita e a una continua domanda di prodotti più piccoli e più sottili dotati anche di più funzionalità rispetto ai loro predecessori, specialmente per quanto riguarda le ultime Tv connesse a Internet. Fino ad ora, si è utilizzata comunemente un’unità di alimentazione separata per lo stand-by, ma la capacità di migliorare l’efficienza delle unità di alimentazione in presenza di carichi leggeri ora implica che sia possibile combinare questa funzione all’interno dell’unità di alimentazione principale. Le Tv di dimensioni minori fanno uso in genere di un convertitore flyback da 100 W al massimo. Aggiungere una modalità di stand-by a quest’ultimo risulta relativamente semplice, ma diventa un compito più complesso a potenze superiori, dove vengono più comunemente usati i convertitori Lcc risonanti. È però possibile ottenere le prestazioni complessive ottimali per il sistema di alimentazione di una Tv a Led con unità di alimentazione principale e di stand-by combinate.

Esigenze di alimentazione

Prima di analizzare la modalità di funzionamento in stand-by, dovremmo considerare la potenza nominale (in modalità On) che definisce le esigenze globali di alimentazione. L’unità di alimentazione deve supportare due funzioni separate della Tv a Led:

• l’elaborazione dei segnali e gli amplificatori audio richiedono tipicamente 13 V, questa tensione è usata direttamente dall’amplificatore di Classe D full bridge e dai convertitori buck Dc/Dc che forniscono 5 V, 3,3 V e qualsiasi altra tensione regolata richiesta per l’elaborazione dei segnali;
• la tensione richiesta per la retroilluminazione a Led è aumentata al di sopra dei precedenti 24 V per ridurre le dimensioni e i costi dei convertitori verso l’utente, ed è ora tipicamente compresa fra 80 e 300 V per l’alimentazione dei circuiti di pilotaggio dei Led di tipo Boost o Buck per le stringhe Led.

In gran parte delle applicazioni la linea di alimentazione a 13 V fornisce circa un terzo della potenza complessiva ed è strettamente regolata. La sicurezza è una preoccupazione di primaria importanza in tutte le applicazioni, specialmente nelle unità di alimentazione impiegate nelle applicazioni consumer. Per evitare il surriscaldamento in presenza di un corto circuito presente della Tv a Led, occorre effettuare una considerazione riguardo alle modalità di guasto. A meno che non ci sia una protezione specifica, i componenti dovrebbero essere dimensionati in modo appropriato, fatto questo che impatterà sul costo della distinta materiali. Un modo alternativo per ovviare al problema è usare un controllore di corrente secondario che eviterà la sovracorrente sulla linea di alimentazione a 13 V.
Aggiungendo questa protezione intelligente, la sicurezza risulta migliorata e il sovradimensionamento dei componenti non è richiesto.

Una soluzione integrata

La soluzione integrata NCP4328 di ON Semiconductor, controllore di corrente e tensione, può sostituire il TL431 esistente e rimuovere la necessità di avere diodi sovradimensionati e dissipatori di grandi dimensioni. L’NCP4328 monitora continuamente la corrente sulla linea a 13 V e assicura che non supererà mai un valore predefinito. Anche se non si tratta di aspetti comuni nella progettazione di convertitori flyback con potenza al di sotto dei 100 W, i benefici di sicurezza e di costo sono significativi. Useremo ora due esempi specifici (con e senza la correzione del fattore di potenza) per considerare la modalità di stand-by.

• Convertitore flyback senza Pfc - I convertitori flyback moderni possono essere progettati per supportare i carichi leggeri che caratterizzano la modalità di stand-by. Tuttavia, per soddisfare i requisiti di consumo di potenza (inferiore a 300 mW a 230 V) pur continuando a fornire abbastanza potenza per supportare nuove funzionalità, è necessario migliorare l’efficienza complessiva e modificare il funzionamento dell’unità di alimentazione per adattarlo alla modalità operativa della Tv a Led. Un modo per ottenere un’efficienza migliore consiste nel ridurre la tensione sulla linea a 13, essendo quest’ultima più alta rispetto a quanto necessario al convertitore per generare 3,3 V in stand-by. La riduzione della tensione di questa linea fino a circa 6-7 V offre diversi vantaggi, quali una migliore efficienza, una riduzione dei consumi del circuito integrato al primario e del circuito di regolazione al secondario, e una corrente di perdita inferiore per quanto riguarda l’alimentazione della retroilluminazione. Il nuovo circuito NCP4352 Cccv Eco Mode completamente integrato di ON Semiconductor consente la regolazione di tensione su due livelli, con una funzione di rilevamento automatico della presenza di carico leggero, e la possibilità di modificare la tensione sulla linea a 13 V quando la Tv a Led si porta in modalità stand-by. Quando disponibile, può essere aggiunta una linea di controllo Stand-by/On per sostituire la funzione di rilevamento automatico. Un altro miglioramento, realizzato al lato primario, riguarda la scarica dei condensatori X2 quando il controllore primario non presenta una modalità di avvio ad alta tensione incorporata. Per soddisfare i requisiti della norma Iec-65, i condensatori X2 usati nei filtri Emi dovrebbero essere scaricati fino a meno di 100 V in meno di un secondo per evitare il rischio di shock elettrico. Tuttavia, per eliminare la necessità di grandi avvolgimenti di modo comune, si usano comunemente condensatori X2 di grandi dimensioni per risolvere i problemi legati alle Emi condotte, rendendo più critica la loro scarica rapida. L’uso di due resistori per scaricare due condensatori da 330 nF produrrebbe consumi pari a circa 44 mW, ossia il 15% del tetto fissato di 300 mW. L’NCP4810 è una soluzione di scarica attiva che scarica il condensatore X2 pressoché senza consumo di potenza. Per applicazioni di alta fascia, il controllore Pwm della potenza di picco dell’NCP1249 assicura sia l’avvio ad alta tensione che la scarica attiva del condensatore, per ottenere maggiori prestazioni e un livello superiore di integrazione. Di conseguenza, per un convertitore flyback singolo, il Cccv Eco Mode al lato secondario, offre un livello superiore di sicurezza e un comportamento migliore in stand-by. Il lato primario può quindi essere una qualsiasi di queste opzioni: un controllore a bassa tensione che combina una resistenza di avvio e un condensatore X2 di scarica; un controllore ad alta tensione per l’avvio con scarica passiva o attiva dei condensatori X2; un controllore di fascia alta dotato sia di funzione di avvio ad alta tensione sia scarica attiva dei condensatori X2, con funzionalità aggiuntive per l’escursione della potenza di picco e per la modalità di Off.
• Convertitore Llc con Pfc - Possiamo ora considerare un’applicazione che richiede una potenza superiore (un’unità di alimentazione Llc con Pfc) con modalità di stand-by. In questa applicazione la linea a 13 V rappresenta circa il 25% della potenza complessiva. Tuttavia, l’Eco Mode, che funziona molto bene in un’unità di alimentazione di tipo flyback non è la soluzione ottimale in questo caso. Con i convertitori Llc, l’energia di carica per il condensatore di risonanza è persa sotto forma di dissipazione di potenza. Durante la modalità skip, la carica del condensatore di risonanza avrà un impatto diretto sulle prestazioni in stand-by. Per minimizzare l’impatto, la frequenza in modalità skip dovrebbe essere il più possibile bassa. In un’unità di alimentazione Llc, l’Eco Mode opera in modalità skip con un’oscillazione limitata sul condensatore d’uscita e ciò impone l’uso di condensatori di grandi dimensioni per ottenere una bassa frequenza in modalità skip. Una soluzione alternativa consiste nell’avere una grande escursione controllata del segnale di tensione in uscita in modalità stand-by che può essere regolata dal convertitore buck a valle. L’NCP4354/55 è un circuito Cccv completamente integrato con modalità Off che consente una grande escursione del segnale di tensione in uscita con la rilevazione automatica della condizione di carico leggero, e usa la funzione di rilevazione della modalità deep skip per variare la regolazione di tensione dalla modalità On a quella Off. All’aumentare della potenza, l’IC riporterà il sistema alla modalità On. È possibile aggiungere una linea di controllo Stand-by/On per assicurare un avvio più rapido. In genere, il tipo di controllore “Active On” fornisce le prestazioni migliori e richiede solo un optoaccoppiatore aggiuntivo. In modalità Off, le prestazioni sono legate all’escursione di tensione e possono essere regolate modificando i condensatori in uscita. Maggiori prestazioni richiedono condensatori di dimensioni maggiori che usano lo stesso concetto e lo stesso modello. Si dovrebbe dimensionare l’Llc al primario per supportare questa modalità di Off a bassa potenza. A causa della presenza della linea di controllo al secondario e del controllore Llc NCP1399, il controllore si porta in modalità Off, con un consumo estremamente basso. Grazie ai miglioramenti di prestazioni in presenza di carichi leggeri, è quindi possibile ottenere prestazioni eccellenti in stand-by senza la necessità di una unità di alimentazione dedicata. Un controllore Cccv secondario può prevedere una modalità Eco o Off per il funzionamento in stand-by, oltre ad ovviare agli aspetti legati alla sicurezza attraverso una regolazione attiva in corrente. I convertitori flyback possono usare la modalità Eco, ma la topologia Lcc beneficia maggiormente dalla nuova modalità di funzionamento Off. In alcuni casi, un controllo dedicato in modalità Off può disattivare completamente l’unità di alimentazione per ottenere la massima riduzione di potenza. È possibile aggiungere una funzione di scarica attiva del condensatore X2 all’interno dell’NCP4810, per ridurre ulteriormente il consumo in stand-by e per consentire l’uso di condensatori X2 di dimensioni maggiori per il filtraggio delle Emi, senza penalizzazioni in termini di consumo di potenza.