Tradizionalmente, per ottenere una luce bianca uniforme, gli Lcd di grandi dimensioni hanno sempre utilizzato come fonte di retroilluminazione delle soluzioni Ccfl (lampade fluorescenti a catodo freddo). Oggi, presso i maggiori costruttori sono sempre più utilizzati i Led come sorgenti luminose. Queste nuove sorgenti superano le lampade Ccfl in termini di dimensioni, efficienza energetica, purezza spettrale, robustezza meccanica e affidabilità, e sono inoltre esenti da sostanze pericolose come il mercurio.
La luce bianca può essere ottenuta da un unico Led bianco o da tre Led RGB separati, con uno spettro di colore molto prossimo a quello dei filtri dei pixel Lcd. Questa soluzione permette un notevole miglioramento dell'efficienza luminosa e di poter contare su un ampio range di colore, assicurando visualizzazioni estremamente vivide. Attualmente gli Lcd con retroilluminazione Ccfl possono generare solo il 70-80% dei colori Ntsc mentre i display più recenti, basati su retroilluminazione Led, sono in grado di generare tutti i colori delle specifiche Ntsc più altri colori ancora. Sfruttando il brevissimo tempo di commutazione dei Led, l'intensità della retroilluminazione può essere modulata per potenziare il contrasto dell'immagine e ridurre l'effetto di trascinamento dovuto alla rapidità di cambiamento delle immagini. Per sostituire le Ccfl nei monitor Lcd di piccole dimensioni (normalmente a 19"), possono essere utilizzati dei Led tricolori. Normalmente, viene sostituita solo la fonte luminosa (da Ccfl a stringhe Led); l'alloggiamento, la guida luminosa e il film ottico rimangono gli stessi. Per gli Lcd di grandi dimensioni (20" e oltre), dove è richiesta una maggiore quantità di luce, può essere impiegata una matrice Led direttamente posta dietro al pannello Lcd. Le dimensioni della matrice, tipicamente nel range del centinaio di punti, varia in funzione delle dimensioni del pannello. Per assicurare un'illuminazione omogenea viene utilizzato uno speciale diffusore a diffrazione posto al di sopra del film ottico standard. Con il miglioramento della tecnologia Led e con l'incremento del livello di luce emessa (lumen/W), il numero di elementi nella stringa o nella matrice si riduce, contenendo ulteriormente i costi associati a sistemi e materiali.
La rivoluzione della retroilluminazione
Ovviamente vi sono delle problematiche da fronteggiare, come ad esempio il mantenimento dell'omogeneità spettrale in funzione dei cambiamenti di temperatura e del tasso di invecchiamento dei Led. Il futuro è però promettente. Tutti i principali player dell'industria dell'elettronica portatile prevedono di lanciare nuovi modelli dotati di retroilluminazione Led. I costruttori di Tv large screen hanno dedicato molte risorse per rendere la retroilluminazione Led più accessibile anche nel mercato consumer. Nella tecnologia della retroilluminazione si è verificata recentemente una vera rivoluzione: l'impiego di nuovi Led bianchi ad alta luminosità in un pannello di retroilluminazione per Lcd. Questi nuovi Led richiedono un'alimentazione da 4 Vdc a 200 W e sono alloggiati in un package di dimensioni minime. Questo sviluppo è basato su una soluzione brevettata di una società che sviluppa e commercializza una innovativa tecnologia denominata Hdr (High Dynamic Range). Questa tecnologia permette di costruire display molto più brillanti, fino a dieci volte rispetto a un Lcd convenzionale, utilizzando degli algoritmi intensivi di elaborazione video che regolano la luminosità del Led. Ogni singolo Led di retroilluminazione è indirizzabile individualmente: in tal modo i livelli luminosi possono essere variati dinamicamente trama per trama e, nello specifico, microregione per microregione. Questa tecnologia di visualizzazione a range dinamico potenziato consente di visualizzare immagini molto più vivide, con zone scure più cariche e aree chiare molto più brillanti rispetto a quanto possibile in precedenza. Un'applicazione già esistente coinvolge i display di grande formato (schermi alta definizione da 37 pollici a 46 pollici) per usi di fascia alta.
Una nuova architettura
Questi nuovi Led richiedono un alimentatore da 4 Vdc a 200 W con dimensioni di package limitate. I progetti precedenti erano alimentati da una sorgente da 5.5 V a 500 A, un livello di corrente non facile da distribuire all'interno del perimetro del display a causa delle perdite di distribuzione I2R e dei relativi cavi e connettori, costosi e di grandi dimensioni. Oggi, per indirizzare le problematiche di distribuzione della corrente di queste applicazioni, può essere utilizzato il bus converter BCM V•I Chip. Il BCM utilizza una topologia Sac (Sine Amplitude Converter) brevettata e caratterizzata da livelli allo stato dell'arte di densità di potenza, efficienza e rumore. Con un ingombro di soli 1.1 in2 e un peso di 15g, il converter BCM mette a disposizione una tensione stepped-down isolata per alimentare carichi niPol (non-isolated Point of load converters), in questo caso l'IC di pilotaggio del Led. Grazie alla veloce risposta e al basso livello di rumore è possibile ridurre o evitare del tutto il ricorso a condensatori a vita limitata, riducendo in tal modo gli ingombri su scheda, la quantità di materiali e i costi totali di sistema.
Il sistema prevede ora la distribuzione dei 48 V ovunque, ma con correnti molto più basse. La tensione viene ridotta a 4 V in alta corrente direttamente sui punti di carico. In totale, nel sistema, operano 16 moduli BCM, quattro su ognuna delle quattro schede di grandi dimensioni presenti nel sistema. Il risultato sono 4 V a 200 A su ciascuna scheda. Viceversa, con i progetti precedenti basati su grandi alimentatori centralizzati, era necessario erogare 800 A su ciascuna scheda, con significative perdite di distribuzione. Sicuramente, questo vecchio tipo di alimentazione era anche pericoloso a causa degli elevati livelli di corrente coinvolti. Questo è il motivo per il quale su ciascuna scheda sono distribuiti 20 A a 48 V, valori più gestibili e sicuri.
La soluzione ideale
Sono numerosi i fattori che rendono i converter BCM una soluzione ideale. Primo, grazie alle loro dimensioni ridotte e all'elevata efficienza (>94%), non richiedono dissipatori particolari. Secondo, operano a 48 V - una tensione facilmente distribuibile e sicura (Selv). Esiste una famiglia di dispositivi BCM che fornisce differenti tensioni standard in uscita, ottimizzate per specifiche applicazioni. Tipicamente, nelle applicazioni di retroilluminazione Led, gli IC di pilotaggio Led posti a valle richiedono una tensione di ingresso regolata tra 4.1 e 4.2 V. Essendo i moduli BCM dei converter non regolati, e non dei regolatori, i progettisti sono in condizione di incrementare la tensione di ingresso per ottenere la tensione di uscita desiderata.
Altre opzioni di retroilluminazione Led
Altre retroilluminazioni possono richiedere un pilotaggio a corrente costante di un array di Led ad alta potenza connessi in serie. In generale, la corrente costante è richiesta per assicurare livelli di cromia e luminosità prevedibili. I regolatori PRM e i trasformatori di tensione VTM, progettati originariamente per assicurare una tensione regolata partendo da un ingresso non regolato, sono in grado di assicurare una corrente costante accurata ed efficiente utilizzando un semplice circuito di feedback. In un DC/DC converter tradizionale le funzioni di regolazione e trasformazione della tensione sono combinate, limitando le possibilità di ottimizzare il sistema. Il regolatore PRM e il trasformatore VTM sono componenti individuali e possono essere separati - o fattorizzati - per ottenere densità di potenza maggiori, efficienze superiori e progetti di sistema più flessibili ed efficaci. L'uso del regolatore PRM e del trasformatore VTM per ottenere una corrente costante offre vari vantaggi rispetto all'approccio convenzionale. L'implementazione di un modulo VTM assicura la moltiplicazione della corrente sul punto di carico in quanto la corrente di output è proporzionale alla sua corrente d'ingresso.
In un'applicazione a controllo di corrente la corrente di ingresso al trasformatore VTM può essere perciò rilevata e regolata per variare la corrente di uscita. Rilevare una corrente di livello più basso (a una tensione più alta) implica il ricorso a un sensore più piccolo, che dissipa meno energia e migliora l'efficienza globale. Inoltre - poiché i V•I Chips stessi offrono una maggiore efficienza e un'elevata densità di potenza - il sistema Led risulta globalmente piccolo e "freddo", massimizzando l'uscita in lumen per watt di dissipazione: più di 1.000 Lumen emessi per 1 Watt dissipato dal V•I Chips. La maggior parte dei Led può essere pilotata con un'unica coppia PRM + VTM. Il regolatore PRM è preconfigurato con un loop interno di tensione che regola la sua tensione di uscita al valore desiderato. Il circuito esterno a corrente costante è progettato insieme al loop di controllo di tensione interno che varia la tensione di riferimento del PRM al fine di regolare la corrente di uscita del VTM. Qui, viene generato un riferimento interno connesso alla porta SC (Secondary control) attraverso una resistenza da 10 k e un condensatore da 0,22 µF che assicura il soft-start. La tensione SC può essere regolata inserendo una resistenza esterna o applicando una tensione esterna.
La tensione SC è bufferizzata e inviata all'amplificatore di rumore attraverso un driver resistivo rappresentato da un blocco a guadagno 0.961. R68 forma la metà superiore del divisore resistivo di rilevamento di tensione. La metà inferiore del divisore è formata inserendo una resistenza dal pin OS a SG.
Circuito di controllo della corrente
Poiché il trasformatore VTM è un moltiplicatore di corrente, la corrente di uscita può essere regolata dalla sua corrente di ingresso. Il vantaggio di questo approccio è dato dal fatto che la corrente può essere rilevata prima dello stadio di moltiplica della corrente (a una tensione superiore), riducendo la dissipazione data I2R nello shunt esterno. Oltre a questo, il circuito di controllo rimane sul lato primario (collegato all'uscita del regolatore PRM), evitando l'esigenza di isolare il segnale di feedback. Il circuito è costituito da un riferimento di tensione, da un resistore shunt, da un amplificatore differenziale e da un amplificatore d'errore. Il rilevamento low-side è implementato all'uscita del PRM utilizzando un op amp configurato come amplificatore differenziale. La tensione attraverso il resistore di shunt (R1) è rilevata e amplificata con un guadagno determinato dalle resistenze da R2 a R5. La tensione di riferimento è generata utilizzando uno shunt di precisione regolabile ed è collegata al terminale non-invertente dell'amplificatore d'errore. Questa è la tensione con cui l'amplificatore d'errore confronta l'uscita dell'amplificatore differenziale (VSENSE). L'uscita dell'amplificatore d'errore (VEAO) è collegata a SC attraverso le resistenze R7 e R8, consentendo la regolazione del set point d'uscita del regolatore. L'amplificatore d'errore regolerà l'uscita del PRM fino a che VSENSE diventa uguale alla tensione di riferimento VREF. Questo forza la corrente di ingresso del trasformatore VTM, e quindi la sua corrente di uscita a rimanere costante in base a quanto determinato da VREF. La corrente risultante può raggiungere un'accuratezza del 99,7% direttamente dal regolatore PRM e fino al 98,7% quando misurata all'uscita del trasformatore VTM.
Come fonte a corrente costante (a 26 - 55 V) può essere utilizzato un unico regolatore PRM con un semplice circuito esterno di rilevamento della corrente. L'unità VTM pilota questo bus di tensione "fattorizzato" alla tensione che determina i vari colori del Led da 0,8 a 55 V (per esempio, 6 V per un Led blu, 14 V per un ambra e 24 V per un verde - valori variabili in funzione del costruttore del Led). La flessibilità della Factorized Power Architecture consente allo stesso regolatore di pilotare vari trasformatori (con differenti fattori K) per vari Led a colori. Se le specifiche relative alla tensione di colore del Led sono constanti, può essere utilizzato inoltre uno stesso trasformatore VTM mentre il regolatore PRM può essere cambiato in funzione della tensione sorgente in ingresso. Oltre a questo, la "fattorizzazione" della conversione implica la presenza del solo trasformatore VTM al punto di carico del Led, minimizzando la caduta di tensione e la dissipazione di potenza. Il regolatore PRM può essere posizionato ovunque, per esempio su una scheda separata collegata attraverso un cavo o un connettore.
