Le più recenti analisi di mercato prospettano per il mercato dei Led un fatturato che entro il 2012 potrebbe raggiungere i 10,3 miliardi di dollari. I Led ad alta e altissima luminosità contribuiscono a tali numeri per 4,45 miliardi di dollari, con un incremento di oltre 5 volte rispetto 783 milioni di dollari fatturati nel 2007. Tra le motivazioni di questa importante crescita c'è l'adozione dell'illuminazione a Led all'interno delle automobili, dove vengono utilizzati per la retroilluminazione dei pannelli Tft-Lcd nei sistemi di "infotainment" e nei gruppi di indicatori, per l'illuminazione degli interni, per le luci dei freni, le luci da giorno, gli indicatori di direzione e più recentemente per i proiettori. Una delle sfide più complesse che devono fronteggiare i progettisti dei sistemi di illuminazione delle autovetture riguarda l'utilizzo di tutti i vantaggi offerti dall'ultima generazione di Led. Poiché in genere i Led richiedono una fonte di alimentazione a corrente continua precisa ed efficiente e il dimming, il circuito integrato del driver Led deve essere progettato per soddisfare questi requisiti in una varietà di condizioni. Le soluzioni di alimentazione devono essere altamente efficienti, offrire caratteristiche solide ed essere molto compatte, oltre che economiche. Forse si può dire che una delle applicazioni più complesse per i Led è quella dei pannelli Tft-Lcd infotainment delle automobili, in quanto sono soggetti ai rigori dell'ambiente elettrico, devono compensare ampie variazioni delle condizioni di illuminazione ambientale, essere adattati a uno spazio molto ridotto e mantenere al tempo stesso un prezzo interessante.
La retroilluminazione a Led nelle automobili
Vantaggi quali l'ingombro ridotto, la lunga durata, il basso consumo di energia e le migliorate capacità di dimming, hanno contribuito alla diffusa adozione della retroilluminazione a Led per i pannelli Tft-Lcd nelle automobili moderne. I sistemi di infotainment in genere prevedono uno schermo Lcd installato nel cruscotto per consentire sia al guidatore che al passeggero di vedere agevolmente la posizione, sintonizzare la radio ed eseguire tutta una serie di altre operazioni. Molte auto hanno inoltre display Lcd che intrattengono i passeggeri sui sedili posteriori con film, videogiochi e altro ancora. Tradizionalmente questi display utilizzavano la retroilluminazione con lampade fluorescenti a diodo freddo, ma oggi sempre più frequentemente queste lampade piuttosto grandi vengono sostituite con file di Led bianchi a bassissimo profilo che forniscono una retroilluminazione più precisa e regolabile, oltre a una durata di servizio che facilmente supera quella della vettura stessa.
L'utilizzo dei Led in questo ambiente ha una serie di implicazioni positive. Innanzi tutto queste luci non richiedono la sostituzione, dato che la loro longevità allo stato solido arriva ad oltre 100.000 ore (11,5 anni), quindi oltre la vita dell'automobile. Questo consente ai costruttori di integrarle in modo permanente nell'abitacolo senza prevedere l'accessibilità per la sostituzione. Anche lo styling può essere notevolmente trasformato, in quanto i sistemi a Led non richiedono la profondità o la superficie d'ingombro delle lampade a incandescenza a bulbo freddo. In genere poi i Led sono molto più efficienti rispetto alle lampade fluorescenti in termini di resa luminosa dall'alimentazione elettrica. Questa caratteristica ha due effetti positivi. Primo, riduce il consumo di energia elettrica dal bus dell'automobile e, altrettanto importante, riduce la quantità di calore da dissipare nel display, eliminando la necessità di dissipatori ingombranti e costosi.
Un altro importante vantaggio della retroilluminazione a Led è l'ampio rapporto di dimming offerto da un circuito integrato del driver Led ad alte prestazioni. Dato che l'abitacolo di un'automobile è soggetto a grande variabilità delle condizioni di illuminazione dell'ambiente, che vanno dalla luce solare diretta al buio totale con una serie di cambiamenti intermedi tra questi due estremi, è fondamentale che il sistema di retroilluminazione a Led sia capace di fornire rapporti di dimming molto ampi, in genere fino a 3000:1. Se il circuito integrato del driver Led è appropriato, questi rapporti possono essere raggiunti in modo relativamente semplice, contrariamente a quanto accade nella retroilluminazione con lampade fluorescenti a bulbo freddo.
Parametri di progettazione per l'illuminazione a Led
Per garantire prestazioni ottimali e una lunga durata operativa, i Led necessitano di un circuito di pilotaggio efficiente. Questi circuiti integrati devono essere in grado di funzionare dal bus di alimentazione dell'automobile, essere economici e occupare poco spazio. Per mantenere la loro durata operativa, è cruciale che i Led non superino i limiti di corrente e di temperatura.
Una delle maggiori sfide del settore è la gestione dell'alimentazione che spesso presenta delle criticità. Le difficoltà maggiori sono date dalle condizioni transitorie note come "load dump" e "avviamento a freddo". Il load dump è la condizione nella quale i cavi della batteria sono scollegati, mentre l'alternatore sta ancora caricando la batteria. Può verificarsi quando un cavo della batteria è allentato oppure in caso di rottura del cavo stesso mentre la vettura è in marcia. Una simile disconnessione repentina del cavo della batteria può produrre picchi di tensione transitoria fino a 40 V mentre l'alternatore sta cercando di caricare una batteria non collegata. In genere i transorb sull'alternatore accumulano la tensione del bus fino a circa 36 V e assorbono gran parte della sovracorrente momentanea; tuttavia, i convertitori CC/CC a valle dell'alternatore sono soggetti a questi picchi di tensione transitoria da 36-40 V. Questi convertitori dovrebbero resistere e regolare la tensione in uscita durante l'evento di corrente transitoria. Esistono vari circuiti di protezione alternativi, in genere transorb, che possono essere installati esternamente. Tuttavia, essi aggiungono costi, peso e occupano spazio.
L'avviamento a freddo è una condizione che si verifica quando il motore di un'auto viene esposto a temperature basse o gelide per un determinato periodo di tempo. L'olio del motore diventa estremamente viscoso e richiede una coppia maggiore del motorino di avviamento, che a sua volta preleva più corrente dalla batteria. Questo elevato carico di corrente può portare la tensione della batteria o del bus principale a meno di 4 V al momento dell'accensione, dopo di che in genere torna a un livello nominale di 12 V.
Una soluzione ai problemi di tensione
Esiste tuttavia una nuova soluzione per questi problemi: l'LT3599 di Linear Technology è in grado di mantenere e regolare una tensione di uscita fissa in entrambe queste condizioni. La tensione di ingresso compresa tra 3 e 30 V, con protezione contro i transitori di tensione fino a 40 V, rende questo dispositivo ideale per l'ambiente di un'automobile. Anche quando VIN è maggiore di VOUT, cosa che potrebbe verificarsi durante un transitorio di tensione di 36 V, l'LT3599 è in grado di regolare la corrente di uscita richiesta.
L'LT3599 è stato appositamente progettato per soddisfare le esigenze delle applicazioni di retroilluminazione degli Lcd, che richiedono una potenza per i Led di 10 e 15 W. Questo dispositivo è in grado di elevare la tensione del bus (12 V nominali) fino a 44 V per gestire fino a quattro strisce parallele, ciascuna contenente dieci Led in serie da 100 mA.
L'LT3599 ha un design a loop di feedback adattivo che regola la tensione di uscita su un valore lievemente superiore rispetto a quello della striscia di Led con la tensione più elevata. Questo riduce la perdita di potenza attraverso il circuito di regolazione per ottimizzare l'efficienza. Questo è un aspetto importante perché elimina la necessità di un dissipatore di calore, consentendo un ingombro molto ridotto e a basso profilo. Altrettanto importante per la gestione delle file di Led è fornire un adattamento di corrente preciso per garantire che la luminosità della retroilluminazione rimanga uniforme su tutto il pannello. L'LT3599 è garantito per fornire una variazione di corrente ai Led inferiore al 2% nel range di temperature comprese tra -40 e 125˚C.
Metodi di dimming
L'LT3599 utilizza una frequenza fissa e una topologia di convertitore di alimentazione a corrente costante. Lo switch interno da 44 V e 2 A è in grado di gestire quattro strisce composte da un massimo di dieci Led da 100 mA collegati in serie. La frequenza di commutazione è programmabile e sincronizzabile tra 200 kHz e 2,5 MHz, rimanendo così al di fuori della banda radio AM e riducendo al minimo le dimensioni dei componenti esterni. Il design del dispositivo consente inoltre di gestire da una a quattro strisce di Led. Se si utilizzano meno strisce, ciascuna di esse è in grado di fornire ulteriore corrente Led. Ogni striscia di Led può utilizzare lo stesso numero di Led oppure funzionare in modo asimmetrico con un numero di Led diverso per stringa.
L'LT3599 può fornire il dimming True Color Pwm o analogico tramite il pin di controllo. La tecnologia True Color Pwm offre rapporti di dimming fino a 3.000:1, spesso richiesti dalle applicazioni del settore automobilistico. Con il dimming Pwm e i Led al massimo livello di corrente, vengono eliminate le variazioni di colore della luce Led e la frequenza è così elevata che risulta non percepibile dall'occhio umano. Il dimming analogico offre un modo molto semplice per raggiungere rapporti di dimming fino a 20:1 variando il livello di tensione del pin di controllo. Questo metodo di dimming dipenderà dalle variazioni della luce dell'ambiente a cui è sottoposto il pannello Lcd.
Funzionalità di protezione
Inoltre, l'LT3599 offre funzionalità di protezione integrata che includono la protezione dai circuiti aperti o cortocircuiti e pin di allarme. Per esempio, se una o più strisce di Led sono a circuito aperto, l'LT3599 regolerà le strisce rimanenti. Se tutte le restanti strisce sono lasciate aperte, il dispositivo regolerà la tensione di uscita e in entrambi i casi segnalerà il pin OpenLed. Allo stesso modo, se si verifica un cortocircuito tra VOUT e un pin dei Led, l'LT3599 disattiva immediatamente il canale interessato e imposta un flag ShortLed. La disattivazione del canale protegge l'LT3599 dalla dissipazione termica della corrente e garantisce un funzionamento affidabile. Altre funzionalità che ottimizzano l'affidabilità includono la disconnessione delle uscite in fase di spegnimento, la programmabilità in caso di blocco della tensione e il derating programmabile della temperatura dei Led. Il funzionamento a tensioni elevate e l'elevato grado di integrazione fanno dell'LT3599 una soluzione driver Led ideale per le applicazioni di retroilluminazione del settore automobilistico.
Per progetti impegnativi
L'incredibile accelerazione delle applicazioni di retroilluminazione tramite Led nelle automobili ha generato molti requisiti prestazionali per i circuiti integrati dei driver Led. Questi componenti devono anche fornire corrente costante per mantenere un livello uniforme di luminosità, indipendentemente dalla tensione di ingresso o dalle variazioni della tensione diretta dei Led; devono funzionare con un grado elevato di efficienza, offrire ampi rapporti di dimming e una serie di funzioni di sicurezza per migliorare l'affidabilità del sistema. Queste applicazioni devono avere anche un ingombro ridotto e fornire efficienza termica. Linear Technology ha fornito una risposta a questi requisiti con circuiti integrati per driver Led come l'LT3599. Linear Technology ha inoltre sviluppato un'intera famiglia di driver Led ad alta corrente specificamente destinati alle applicazioni del settore automobilistico, che vanno dalla retroilluminazione Lcd agli indicatori di direzione, fino ai proiettori. Oggi i progettisti dei sistemi di illuminazione per le autovetture possono contare su un driver Led efficiente per i progetti di illuminazione a Led più impegnativi.
