Pilotaggio LED:
architetture, topologie e funzionalità
LUMEN
Lighting Seminar
12 Maggio 2011
© Linear Technology 2011
Maurizio Pogliani
FAE - Linear Technology
[email protected]
Cell.: +39 348 4530 576
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Mercato dei LED
Entertainment
high-end
Signage,
billboard,
scoreboard
Portable
Electronic
Devices
Architectural
Automotive,
Transportation,
avionica
Laptop & Tablet
PC
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Il Mercato dei LED
Medicale
Industriale
Strumentazione
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Cosa chiede il mercato…

Grandi differenze di potenza:
decine di mW (e.g.: backlighting) => centinaia di W (e.g.: fari frontali auto o DLP).

Differenti sorgenti di alimentazione:
- AC: (50/60Hz) della rete elettrica
- AC: avionica (400Hz)
- DC: batterie e alimentatori stabilizzati.

Ampiezza delle tensioni di ingresso:
- AC: 90 ÷ 265Vac rete elettrica
- DC: da <1V (min. tensione operativa di alcuni tipi di batterie) a 100V .

La possibilità di regolare l’intensità luminosa (dimming), di accendere e spegnere
il dispositivo con soglie di UVLO o OVLO.

La possibilità di garantire protezioni e gestire la diagnostica del sistema
(sovracorrenti, sovratensioni, LED aperti, etc.)

Integrazione circuitale

Massimo rendimento e efficienza, cioè risparmiare energia rispetto alle soluzioni
“tradizionali”.
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… e cosa richiede un LED per funzionare…
 I LED, per funzionare richiedono una corrente costante, (ricordiamoci che
sono dei diodi), il cui range varia da:
10mA => 5A
 Tipicamente i tagli di corrente più diffusi sono:
20, 50, 100mA (Low/medium power)
350, 700mA (Medium power)
1 ÷ 5A (High power)
 L’intensità luminosa dei LED è determinata dalla corrente che vi circola.
 Tipiche tensioni di forward dei LED, a parità di corrente:
 ROSSO => 1.6V÷2.8V@20mA
 VERDE => 2.0V÷4V@20mA
 BLU => 3V÷4V@20mA
 BIANCO => 1.6V÷2.8V@20mA
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Pilotaggio dei LED
Principale obiettivo
di progetto è mantenere costante la corrente di forward nel diodo.
ILED
ILED
VIN
RSET
IIN
VLED
VLED
• La corrente è facilmente settabile con
una resistenza
• Solo per tensione fissa Vin
• Non c‘è compensazione in temperatura
• Dissipazione di potenza maggiore dovuta
alla resistenza RSET
• La Corrente è settabile con alta accuratezza
• Il rendimento può essere elevato e ottimizzato
(Linear Regulator vs. DC/DC converter)
• Il progetto è semplicissimo.
uindi riassumendo, per pilotare uno o più LED, serve un generatore di
corrente. Parlando di elevati rendimenti e prestazioni, sarà certamente un
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regolatore switching, con controllo a corrente costante,
detto Technology
LED DRIVER.
Pilotaggio dei LED

Solitamente non si deve pilotare un solo
LED, ma una stringa.

LED in serie:
- corrente costante uniforme sul singolo
ramo
- tensioni elevate sul carico

Basse Vin, elevate Vout: elevato duty-cycle
(legato al rapporto tra Vin, Vout e fsw).

LED in parallelo:
2V to 4.8V
- basse tensioni di uscita, ma il matching di
corrente nei diversi rami non è semplicissimo
50mA
e spesso è “dispendioso”:
* aggiunta di componenti passivi (non
compensati in temperatura)
P = R*I2
* aumento della dissipazione e diminuzione
PLED = 10mA*2V (typ) * 5 = 100mW
del rendimento totale.
P
= 100Ω*10mA 2* 5 = 50mW
P = 150mW (50% +)
Rballast
18 LED!!!
tot
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Pilotaggio dei LED
Principali topologie di LED driver
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Synchronous Buck Topology Driver
VIN > VLED ; Low side current feedback
LED Return to GND
LED Return to GND
Isw ≈ 1.2 * ILED
Voltage feedback loop
Protezione contro
Open LED
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Multi Topology Driver
Boost converter: VIN < VLED ; High side current feedback
Vin = 12V
Voltage feedback loop
LED Return to GND
I SW
⎛
V I
1
⎜⎜1.2  LED LED 
η
VIN , MIN
⎝
⎞
⎟ I SW ⎛⎜1.2 3.7V  18  370mA  1 ⎞⎟  3.5A
⎟
0 .9
9.6V ⎠
⎝
⎠
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Multi Topology Driver
Buck Mode: VIN > VLED with Low Side SW
VIN for IC fed from
low voltage source
LEDs are floating
IC (VSW , ISENSE) must be rated for VIN
I SW 1.2 I LED 
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Multi Topology Driver
Buck-Boost mode: Vin > VLED < Vin
One inductor
Buck-boost “mode” circuit
LED Return to VIN
IC(VSW) must be rated for VIN + VLED
I SW
⎛
VLED I LED
1
⎜
⎜1.2 

η
VIN , MIN
⎝
⎞
⎟  I LED
⎟
⎠
ISENSE & PWM-dimming switch in High-Side
Open LED protection needed!
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Multi Topology Driver
SEPIC: Vin > VLED < Vin
SEPIC circuit
Due induttori o un induttore
accoppiato
LED Return to GND
IC(VSW) must be rated for VIN + VLED
I SW
⎛
VLED I LED
1
⎜
⎜1.2 

η
VIN , MIN
⎝
⎞
⎟
⎟
⎠
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Buck-Boost Topology Driver
Vin > VLED < Vin
97% Efficient 50W Automotive LED Headlamp
Driver
4 switch buck-boost LED
driver
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Offline Topology Driver
AC input with Active PFC
LT3799 – active
PFC
PFC = 0.977
Up to 100W+
No Opto-isolator loop
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Dimming
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Dimming Analogico vs. PWM
VADJ = VREF  ILED = ILED NOM
R1 & R2 sono divisori lineari per ILED
Il rapporto di dimming è tipicamente non
superiore a 10:1 per mantenere
l’integrità cromatica del LED.
DAC
Rapporto di dimming 3000:1
PWM dimming control interno
PMOS permette turn-off veloci
ILED
3% PWM Duty
50% PWM Duty
97% PWM Duty
Dimming analogico e PWM possono essere combinati per raggiungere
rapporti di dimming più elevati.
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Parallelare
Stringhe di LED
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Current Matching Methods
• Creare un ballaster con degli specchi di corrente
(limiti in corrente ed efficienza)
• Usare un ballaster esterno (i.e.: LT3003)
• Usare LED driver a canale multiplo, i.e. LT3476,
LT3496, etc.
• Usare LED driver con un singolo controllore di
potenza più un ballaster integrato, i.e. LT3598,
LT3599 etc.
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Triple LED Drivers (LT3496)
• 3 sets of components
• PMOS disconnect
• Excellent current matching
• Independent control of each channel
• Drive different number and/or color of
LEDs
Use low voltage to
reduce losses
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Other Current Matching Methods
Ballast resistor
Current Matching IC LT3003
350mA max
per channel
Cost effective
Higher loss at all time
Good current matching
High efficiency
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6-Channel LED Driver (LT3598)
• Single boost circuit
• Internal 6-string ballaster
• Excellent current matching
• One converter carries all current
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Conclusioni
Ormai con i LED è possibile creare qualsiasi
applicazione che ne richieda il loro impiego…
il limite è dettato spesso dall’utilizzatore finale…
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