Convertitore flyback per l’illuminazione a Led

LED DRIVER –

Un alimentatore per illuminazione a Led richiede un elevato fattore di potenza, alta efficienza, un lato secondario isolato per motivi di sicurezza, e un minor numero di componenti. Il controller FL7732 e il Mosfet SuperFet II rappresentano una soluzione a queste esigenze.

Con i Led che vengono sempre più utilizzati nelle applicazioni per illuminazione di interni, la struttura dei costi sta diventando un fattore critico. Un semplice convertitore flyback è uno dei migliori candidati per abbassare i costi dell'illuminazione a Led; tuttavia, gli alimentatori switching per l'illuminazione a Led richiedono ancora un elevato fattore di potenza e un'alta efficienza di sistema. I più recenti dispositivi di potenza sono essenziali per superare questo ostacolo. Il presente articolo si sofferma sull'uso di un nuovo controller integrato e di un Mosfet a supergiunzione ad alte prestazioni e alta tensione nell'ottica dell'illuminazione a Led. Questi prodotti garantiscono una struttura semplificata e prestazioni elevate.

Controller flyback sul lato primario
Il controller Pwm (Pulse Width Modulation) FL7732 altamente integrato sviluppato da Fairchild fornisce diverse funzioni che esaltano le prestazioni dei convertitori flyback a bassa potenza. La topologia brevettata del controller  permette di disegnare circuiti estremamente semplificati, specialmente per le applicazioni di illuminazione a Led. Usando una topologia a singolo stadio con regolazione sul lato primario, una scheda per l'illuminazione Led può essere implementata con il minor numero di componenti esterni e i costi più contenuti possibili senza richiedere un circuito di feedback né un condensatore di bulk in ingresso. Per implementare un elevato fattore di potenza con distorsione armonica totale limitata viene utilizzato un controllo on-time costante con un condensatore esterno. Anche la regolazione della corrente costante rappresenta un'importante caratteristica dell'illuminazione a Led. La funzione integrata nel controller FL7732 per il controllo preciso della corrente costante regola la corrente di uscita rispetto ai cambiamenti nella tensione di ingresso e in quella di uscita. La corrente di uscita può essere stimata usando il picco della corrente di drain del Mosfet e il tempo di scarica della corrente di induzione dal momento che la corrente di uscita è praticamente la stessa della corrente di diodo in stato stazionario. Il circuito che stima la corrente di uscita preleva il valore di picco della corrente di drain attraverso un apposito rilevatore e calcola la corrente di uscita usando il tempo di scarica dell'induttore e il periodo di commutazione. Queste informazioni vengono quindi confrontate con un riferimento preciso interno per generare una tensione di errore che determina il duty cycle del Mosfet in modalità corrente costante. Con l'innovativa topologia Fairchild TrueCurrent, la corrente costante di uscita può essere controllata con precisione. Per la regolazione sul lato primario viene in genere preferito il funzionamento in modalità Dcm (Discontinuous Conduction Mode) dal momento che consente una migliore regolazione dell'uscita. La frequenza operativa viene proporzionalmente modificata dalla tensione di uscita per garantire il funzionamento Dcm con una superiore efficienza e semplicità progettuale. Per mantenere la modalità Dcm nell'intera gamma delle tensioni di uscita, la frequenza viene cambiata linearmente dalla tensione di uscita mediante controllo lineare della frequenza. La tensione di uscita è rilevata da un avvolgimento ausiliario e un partitore di tensione collegato al pin VS. Quando la tensione di uscita diminuisce, il tempo di conduzione del diodo secondario aumenta e la funzione di controllo lineare della frequenza prolunga il periodo di commutazione per far sì che il convertitore mantenga la modalità Dcm su un ampio intervallo di tensioni di uscita. Il controllo di frequenza riduce inoltre la corrente Rmsprimaria migliorando l'efficienza in condizioni di pieno carico.
Il controller FL7732 implementa anche funzioni di protezione come quelle per i casi Led aperto, Led in corto e sovratemperatura. Una caratteristica importante è che il livello limite della corrente viene ridotto automaticamente per minimizzare la corrente di uscita e proteggere i componenti esterni dalla condizione di Led in corto. Il controller FL7732 dispone anche nel proprio oscillatore di una funzione di salto di frequenza che offre migliori prestazioni in termini di interferenza elettromagnetica.

Il nuovo Mosfet a supergiunzione
Nelle tecnologie dei Mosfet ad alta tensione, il risultato più significativo per la riduzione del valore on-resistance è offerto dalla tecnologia a bilanciamento di carica, mutuata dalla struttura della supergiunzione e contraddistinta da una profonda struttura a pilastri verticali di tipo P che la differenzia da quella più diffusa della tecnologia planare convenzionale. L'effetto dei pilastri è quello di confinare il campo elettrico nella regione epitassiale a basso drogaggio. A causa di questi pilastri di tipo P, la resistenza epitassiale di tipo N può essere enormemente ridotta pur conservando lo stesso livello di tensione di rottura. Oltre alle caratteristiche di bassa on-resistance, la seconda generazione della tecnologia SuperFet riduce anche l'energia immagazzinata nel condensatore di uscita. Il valore di questa energia è più importante nel caso di applicazioni a bassa potenza come l'illuminazione a Led, dal momento che l'energia deve essere dissipata a ogni evento di accensione.
Una scheda per l'illuminazione a Led da 20 W è stata scelta per valutare la tecnologia SuperFet II. La scheda è stata originariamente sviluppata con il Mosfet a canale-N da 60V Fairchild FDD5N60NZ abbinato al controller FL7732. Tra i principali componenti, il Mosfet FDD5N60NZ è realizzato con tecnologia planare e una on-resistance pari a 20Ω. Al medesimo costo, la tecnologia SuperFet II può fornire 0.90Ω di on-resistance insieme con una minore energia immagazzinata nel condensatore di uscita. Grazie a queste superiori caratteristiche elettriche, la tecnologia SuperFet II può incrementare significativamente l'efficienza di sistema.
La tecnologia SuperFet II dimostra i migliori risultati in termini di efficienza sull'intero intervallo di tensioni di ingresso con un forte miglioramento rispetto alla tecnologia planare del dispositivo FDD5N60NZ. La tecnologia SuperFet II ha inoltre fatto registrare più efficienza rispetto al Mosfet a supergiunzione concorrente, in particolare nel caso delle alte tensioni di ingresso: si tratta di un buon esempio di come l'energia immagazzinata nel condensatore di uscita influisca sull'efficienza di sistema. Poiché il Mosfet a supergiunzione concorrente possiede la medesima on-resistance del Mosfet SuperFet II, si può ritenere che il gap di efficienza scaturisca dalle perdite di commutazione.

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