Alte prestazioni nei megaschermi a Led

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Le applicazioni più avanzate nel campo dei tabelloni e delle insegne digitali di grandi dimensioni richiedono nuovi approcci circuitali e una maggiore integrazione di funzionalità sofisticate.

I progettisti di insegne e tabelloni elettronici digitali stanno sfruttando le migliori prestazioni dei Led ad alta luminosità per realizzare soluzioni ancora più ambiziose. I megaschermi a Led possono oggi contenere diverse migliaia e talvolta milioni di singoli Led, spesso organizzati in gruppi di elementi luminosi rossi, verdi e blu che si comportano da singolo pixel. Schiere di Led di così grandi dimensioni presentano difficoltà di controllo e pilotaggio ben maggiori rispetto alle insegne elettroniche di piccole dimensioni o alle applicazione di retroilluminazione.

Più canali, più problemi
Un circuito di pilotaggio multicanale viene utilizzato per alimentare a corrente costante un gruppo di Led, ricevendo gli opportuni comandi ad alto livello da un sistema di gestione basato su un microcontrollore. Attualmente i circuiti di pilotaggio a otto, nove o sedici canali sono molto diffusi, mentre i dispositivi a 24 canali diventeranno molto comuni in futuro. Possono comunque essere necessari migliaia di circuiti di pilotaggio per controllare un’intera schiera di Led che compone un megaschermo elettronico utilizzato ad esempio in uno stadio o come sistema informativo al pubblico. La luminosità dei Led e la lunghezza d’onda emessa variano in funzione dell’intensità di corrente che li attraversa. Per tale ragione, il pilotaggio a corrente costante è la soluzione preferita nella applicazioni che utilizzano un gran numero di Led dove si richiede uniformità nell’emissione ottica. L’attento allineamento delle correnti di uscita tra i canali dello stesso circuito di pilotaggio, e tra quelli di un circuito di pilotaggio e di un altro, diventa un problema molto importante quando di progettano insegne e tabelloni di grandi dimensioni.

Il miglioramento dell’impatto visivo
L’allineamento della corrente erogata tra un canale e l’altro entro il ±3-6% è stato considerato tradizionalmente adeguato per molte applicazione. Però, al crescere delle dimensioni dei tabelloni elettronici, i circuiti di pilotaggio rivolti ad applicazioni multi-Led devono garantire un miglior livello di precisione. Il circuito di pilotaggio a 16 canali TC62D722 di Toshiba, per esempio, garantisce un disallineamento massimo di ±1,5% tra un canale e l’altro. Molto importante, anche tra le uscite di un circuito integrato e un altro, il disallineamento delle uscite non supera il ±1,5%, il che offre ai progettisti un margine supplementare per creare grandi display ad elevata densità di pixel che richiedono un grande numero di circuiti integrati dedicati al pilotaggio. Inoltre, la migliore uniformità tra i canali dei circuiti di pilotaggio permette ai progettisti di raggiungere le prestazioni ottiche giudicate soddisfacenti con Led di costo inferiore, che possono presentare una relativamente grande dispersione delle caratteristiche di emissione tra un dispositivo e un altro. La potenza dei Led continua ad aumentare, il che si ripercuote sulla necessità di riuscire a gestire intensità di corrente più elevate. Allo stesso tempo, i progettisti di tabelloni elettronici si sforzano di creare prodotti più grandi, più luminosi e con un maggiore angolo di visone. Di conseguenza, i circuiti di pilotaggio devono essere in grado di erogare correnti di uscita massime più elevate. I circuiti di pilotaggio devono anche riuscire a mantenere sotto stretto controllo la corrente di pilotaggio al variare della tensione di uscita dei Led. Il dispositivo TC62D722 permette di regolare la corrente di uscita tra 1,5 mA e 90 mA con una funzione caratteristica piatta su una vasta gamma di tensioni di uscita.

Semplificare il progetto dell’alimentatore
L’inserimento di un ritardo di attivazione delle uscite è un’altra caratteristica che sta assumendo una maggiore importante nel contesto dei megaschermi composti da moltissimi Led. In uno schermo di grandi dimensioni è normale collegare i circuiti di pilotaggio che controllano fino a 64 blocchi di Led a un alimentatore, ma l’accensione simultanea di una proporzione rilevante di questi Led imporrebbe all’alimentatore di erogare una corrente di picco molto elevata. Il caso peggiore accadrebbe qualora tutti i Led di un megaschermo composto da milioni di elementi venissero accesi simultaneamente, il che richiederebbe la progettazione di un’architettura di alimentazione complessa e costosa per erogare un’elevatissima corrente di picco. Un modo di prevenire queste improvvise e notevoli variazioni di corrente assorbita dai Led è di realizzare un controllo delle variazioni di corrente su ciascun canale. Si tratta di un meccanismo che limita le variazioni della corrente quando le uscite vengono abilitate e disabilitate. Alternativamente, la tecnica del ritardo in uscita inserisce automaticamente un breve periodo di tempo che serve a ripartire il tempo di attivazione su ciascun canale. Ciò riduce la richiesta di corrente di picco per ciascun circuito di pilotaggio, il che permette di ridurre i picchi degli assorbimenti e di utilizzare alimentatori più piccoli e più economici.

L’abbattimento del rumore
La commutazione di un gran numero di Led tende anche a generare rumore e ondulazioni sui canali di uscita, che possono interferire con gli stessi circuiti interni di pilotaggio, o di quelli dei canali adiacenti, facendo nascere anche problematiche per rispettare i vincoli di compatibilità elettromagnetica. Per mitigare questi rischi, nei display di grandi dimensioni si è tipicamente ricorsi all’inserimento di un gran numero di componenti esterni, come i condensatori, per appiattire i picchi e smorzare le oscillazioni. I circuiti di pilotaggio multicanale di nuova generazione, invece, integrano dei circuiti appositi per combattere l’insorgere del rumore di commutazione. Ciò permette di ridurre il numero di componenti esterni necessari, il che semplifica il progetto e l’assemblaggio, riduce i costi e migliora l’affidabilità complessiva del sistema.

Eliminare lo sfarfallio
Nei tabelloni e insegne elettroniche che sfruttano la parzializzazione (dimming) per variare la luminosità, quando vengono visualizzate animazioni a immagini con movimenti rapidi, il ciclo di uscita del regolatore Pwm che comanda la parzializzazione deve essere sufficientemente veloce per garantire una velocità di aggiornamento delle immagini adeguata. Si consideri un circuito di pilotaggio con controllo della parzializzazione con risoluzione di 16 bit. Se si applica al modulatore Pwm una frequenza di clock di 30 MHz, la frequenza di uscita del segnale Pwm sarebbe di 458 Hz. Qualora si visualizzassero immagini movimento, questa frequenza sarebbe abbastanza vicina alla velocità di aggiornamento delle immagini da causare fenomeni sfarfallio (flickering) percepibili. L’aumento della frequenza di clock del modulatore Pwm, però, aumenterebbe di conseguenza anche il rumore, i consumi, la dissipazione di potenza e anche il costo. Una nuova tecnica di modulazione, chiamata “Division Pwm” (Pwm suddiviso) permette di aumentare effettivamente la frequenza dell’uscita del modulatore Pwm senza aumentarne la frequenza di clock. Adottando lo schema Division Pwm, a partire dalla stessa frequenza di 30 MHz e della parzializzazione con risoluzione di 16 bit, il ciclo di uscita del modulatore Pwm di 2,18 ms (1/458 Hz) viene suddiviso in 128 sezioni, ciascuna delle quali corrisponde a 512 cicli di clock. Il duty cycle del segnale Pwm necessario per ottenere il livello di luminosità desiderato viene replicato all’interno di ciascuna sezione temporale, aumentando effettivamente la frequenza d’uscita del modulatore Pwm da 458 Hz a 59 kHz e, quindi, eliminando il fastidioso problema dello sfarfallio nella visualizzazione di immagini in movimento. Lo schema Division Pwm è particolarmente adatto ai circuiti di pilotaggio come il TC62D722, in quanto tale dispositivo non utilizza la tecnica della limitazione di corrente sul canale per combattere il rumore di commutazione. Il dispositivo supporta anche il normale sistema di modulazione Pwm oltre che il più sofisticato Division Pwm. La scelta della modalità di funzionamento avviene impostando un registri interno, e il circuito di pilotaggio consente anche di scegliere la risoluzione della parzializzazione a Pwm tra 16 bit, 14 bit, 12 bit o 10 bit. La Fig. 3 illustra il funzionamento della modalità Division Pwm confrontata con la modulazione Pwm classica con il dispositivo TC62D722.

La gestione della potenza
Poiché le dimensioni e le prestazioni delle insegne e tabelloni elettronici a Led continuano a crescere, la gestione della potenza nell’ambito del sottosistema di pilotaggio dei Led assume un’importanza sempre maggiore. L’elevato costo dell’energia elettrica induce gli acquirenti e i gestori delle apparecchiature a considerare il consumo energetico nelle valutazioni che portano alla decisione di acquisto. Le insegne che consumano molto sono anche poco apprezzate da parte di quelle organizzazioni che si impegnano a ridurre il loro impatto sull’ambiente. Un circuito di pilotaggio multicanale progettato per comandare insegne e tabelloni elettronici può tipicamente assorbire qualche milliampere nel suo stato di inattività. In un display di grandi dimensioni, con magari 1000 circuiti di pilotaggio funzionanti a 5 V, ciò si trasforma in un assorbimento di potenza di 35 W, anche quando tutti i Led sono spenti. Tenendo presente tutto questo, l’impiego di modalità intelligenti per la gestione della potenza diventerà molto diffuso nei progetti dei megaschermi a Led del prossimo futuro. Per supportare la gestione della potenza in applicazioni sensibili ai consumi energetici, il dispositivo TC62D722 prevede una modalità di funzionamento  in stand-by. Tale modalità viene controllata dal software applicativo impostando un bit in un registro interno, il che riduce l’assorbimento di corrente del circuito integrato a meno di 1 µA. Ciò potrebbe consentire al progettista di ridurre l’assorbimento durante le fasi di inattività di fino a 35 W, riprendendo l’esempio citato in precedenza, passando ad un consumo a riposo di soli 5 mW, ottenendo vantaggi sia in termini di consumi energetici complessivi che di costo e dimensionamento dei relativi alimentatori.

Il miglioramento della diagnostica
Le indicazioni diagnostiche, tra cui l’identificazione di guasti come la rottura di un Led, sono particolarmente importanti nelle applicazioni pratiche quando si utilizza un gran numero di Led. Sebbene i Led siano famosi per garantire un tempo di vita molto più lungo rispetto alle lampade a incandescenza, fattori come le vibrazioni e l’elevata temperatura possono favorire l’insorgere di circuiti aperti e cortocircuiti per qualche singolo Led presente nello schermo. Quando diversi Led sono collegati in serie per formare una stringa, un solo guasto per circuito aperto provoca lo spegnimento dell’intera stringa. In alcuni casi, possono essere montati dei circuiti di protezione (shunt) che cortorcircuitano un Led guasto causa circuito aperto onde garantire il funzionamento degli altri Led appartenenti alla stessa stringa. Integrando le funzionalità di protezione all’interno del circuito di pilotaggio si possono risparmiare componenti esterni e si possono comunicare il tipo e la localizzazione del guasto rilevato al controllore applicativo esterno. Nel dispositivo TC62D722 sono presenti due comparatori interni in ciascuna uscita per rilevare gli effetti di un Led in cortocircuito o in circuito aperto sulla tensione al piedino di uscita. Lo stato dei comparatori per il circuito aperto e il cortocircuito viene memorizzato in un registro a scorrimento interno, che permette al circuito di pilotaggio di indicare l’esatta natura di un guasto al Led attraverso la sua linea di uscita dati seriali. Inoltre, sono presenti dei circuiti di spegnimento automatico per protezione termica e di ripristino dello stato all’accensione.

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