Enfrentando os desafios de energia das aplicações gerais de iluminação

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4. Driver síncrono de alta potência com LED fanfarrão.4. Driver síncrono de alta potência com LED fanfarrão.Os LEDs proliferaram através de inúmeras aplicações e em todos os mercados ao longo desta década (Figura 1). Como o mercado de LED alcançou economias de escala, as aplicações antes dominadas pela iluminação incandescente tradicional agora estão utilizando muitos recursos importantes da tecnologia LED – alta eficiência, alto brilho, controle preciso da luz, vastas matrizes de cores, formas exclusivas em conjunto com novas ópticas e muito mais. O tempo de subida da iluminação por LED é duas vezes mais rápido que as fontes incandescentes e consome menos energia que seu equivalente incandescente, levando a vantagens substanciais no consumo de energia.

1. É mostrada uma foto da cidade iluminada por LED de Shenzhen, China.1. É mostrada uma foto da cidade iluminada por LED de Shenzhen, China.

As melhorias nos LEDs e drivers de LED permitem aplicativos que não eram tradicionalmente possíveis e ajudam a adaptá-los às novas necessidades do mercado. Iluminação industrial e de palco fornece sistemas de alto contraste, luminosos e coloridos para iluminar o palco. Iluminação para horticultura utiliza designs altamente eficientes em vários espectros de cores para cultivar plantas de alto rendimento. Sistemas de visão por máquina requerem sistemas de câmera sofisticados que empregam LEDs infravermelhos ou de alto brilho (LEDs HB). Iluminação da Internet das coisas cria aplicativos inteligentes e bem iluminados que trazem conforto e simplicidade aos seus usuários.

Eles representam apenas alguns aplicativos que exigem um LED emparelhado com um driver de LED. Os drivers de LED, os componentes eletrônicos por trás da operação de LED, desempenham um papel importante na preservação e aprimoramento das qualidades inerentes de clareza, velocidade e eficiência do LED.

Ligando os LEDs

Os LEDs são usados ​​em muitas aplicações gerais de iluminação e estão disponíveis em diversas configurações, variando de um único LED a uma cadeia ou matriz de LEDs. Os LEDs da HB requerem corrente constante para desempenho ideal. A corrente se correlaciona com a temperatura da junção e, portanto, a cor. Consequentemente, os LEDs da HB devem ser acionados com corrente, não tensão. A fonte de energia LED varia de um adaptador de energia CA-CC para iluminação de construção a algumas pilhas AAA para luzes do armário e outros dispositivos domésticos.

Os desafios

A proliferação de módulos LED na iluminação geral coloca novos requisitos no hardware do sistema, incluindo EMI reduzida, tamanho de componente reduzido para encaixar componentes eletrônicos adicionais no mesmo espaço, eficiência energética aprimorada para executar dentro do orçamento térmico igual ou inferior, suportando arquiteturas conectadas e flexíveis que permitem várias configurações e precisão controle para preservar as características da luz LED. Este artigo abordará as seguintes aplicações: iluminação LED de alta potência, iluminação LED de baixa / média potência, diodos infravermelhos (IR) para sistemas de visão e iluminação LED de baixa potência.

Iluminação LED de alta potência

Controle de Corrente Médio Buck-Boost

Em aplicações operadas por linha, uma série de diodos comutados pode ser totalmente acoplada com 12 diodos de LED (42 V) ou reduzida a um único diodo de LED (3,5 V). O driver de LED pode ter uma tensão de entrada de 24 V, enquanto sua tensão de saída pode ir de 3,5 a 42 V e estar acima ou abaixo da entrada a qualquer momento.

Os painéis LED típicos consomem energia de uma fonte de alimentação CA-CC separada. O bloco de potência fornece uma tensão CC padrão, por exemplo, 24 V. Conversores de reforço de buck dedicados, trabalhando com essa entrada de bloco de potência, controlam a intensidade e a posição da lâmpada. Cada conversor buck-boost controla uma única função, como luzes diurnas ou noturnas, posição da luz, etc. O gerente da matriz ativa ou desativa os diodos das cordas, com a saída de cada conversor buck ajustada de acordo.

Idealmente, cada string terá uma solução personalizada de reforço de buck, em que a tensão da string é diretamente derivada do bloco de potência, com uma conversão progressiva quando possível (modo buck) e uma conversão progressiva quando necessário. Ter a menor tensão de entrada possível reduz as perdas de comutação do sistema e melhora a eficiência.

Outra preocupação é a precisão da corrente e da tensão. O típico conversor buck em modo de corrente de pico ou vale controla a corrente de pico do indutor. No entanto, a corrente da cadeia de diodos é a corrente média no indutor. Esse erro de corrente de pico à média é eventualmente eliminado pelo circuito externo de controle de tensão, mas retorna durante condições transitórias.

Por exemplo, em Figura 2, o gerente da matriz pode aumentar instantaneamente o número de diodos energizados de 8 para 12. O passo resultante da tensão de saída produz uma flutuação de corrente e tensão na saída do conversor buck que leva dezenas de microssegundos para extinguir. Um circuito de escurecimento PWM de alta proporção amostrará essa corrente por apenas alguns microssegundos iniciais em que a amplitude está diminuindo, resultando em brilho e cor incorretos do escurecimento. Um loop de controle que mede a corrente média, em oposição ao pico de corrente, eliminaria naturalmente esse problema.

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2. Sistema de painel de LED de uma fonte de alimentação CA-CC.2. Sistema de painel de LED de uma fonte de alimentação CA-CC.

O escurecimento é uma função onipresente em muitas aplicações e um importante recurso de segurança para os faróis de LED. O olho humano mal consegue detectar o escurecimento da luz de 100% a 50%. O escurecimento deve descer para 1% ou menos para ser claramente discernível. Com isso em mente, não é de surpreender que o escurecimento seja especificado por uma proporção de 1000: 1 ou superior. Dado que o olho humano, em condições adequadas, pode detectar um único fóton, praticamente não há limite para essa função.

Como a corrente deve ser mantida constante para preservar a cor, a melhor estratégia de escurecimento para os LEDs é a modulação por largura de pulso (PWM), em que a intensidade da luz é modulada cortando a corrente no tempo, em vez de alterar a amplitude. A frequência PWM deve ser mantida acima de 200 Hz para impedir que o olho humano perceba a luz do LED piscando.

Com o escurecimento de PWM, o limite para o tempo mínimo de “liga / desliga” do LED é o tempo necessário para aumentar / diminuir a corrente no indutor do regulador de comutação. Isso pode resultar em dezenas de microssegundos de tempo de resposta, o que é muito lento para aplicativos que exigem padrões de escurecimento rápidos e complexos. O escurecimento neste caso só pode ser realizado através do desvio individual de cada LED em uma string por meio de comutadores MOSFET dedicados (SW1-K dentro Figura 2). O desafio para o circuito de controle de corrente é ser rápido o suficiente para se recuperar rapidamente do transiente de tensão de saída devido à entrada e saída dos diodos.

Uma solução ideal deve atender aos requisitos de operação suave de aumento de buck e resposta transitória rápida. O controlador de LED mostrado em Figura 3 permite essa solução.

Normalmente, a cadeia de diodos é anexada diretamente ao VFORA. O IC integra um driver MOSFET de escurecimento do canal p do lado alto (/ DIMOUT ) para aplicativos que exigem uma fonte atual com capacidade de escurecimento do PWM, conforme mostrado em Figura 3.

3. Controlador LED com operação suave de aumento de pressão e resposta transitória rápida.3. Controlador LED com operação suave de aumento de pressão e resposta transitória rápida.

Controlador LED de alta potência Buck

Os conversores Buck (também conhecidos como dispositivos de energia direta), graças ao fluxo ininterrupto de corrente do indutor para a saída, são inerentemente mais eficientes do que os conversores de impulso e de impulso. Naturalmente, o uso de um conversor buck implica que a tensão de saída seja sempre menor que a tensão de entrada. Sempre que possível, com base nas características da aplicação, os conversores buck resultam em luminárias mais eficientes.

Uma solução ideal deve atender aos requisitos de uma ampla faixa de tensão de entrada, resposta transitória rápida e frequência de comutação alta e bem controlada, ao mesmo tempo em que permite alta eficiência com retificação síncrona. O controlador de LED Figura 4 permite essa solução.

4. Driver síncrono de alta potência com LED fanfarrão.4. Driver síncrono de alta potência com LED fanfarrão.

Controladores duplos de LED Buck

O desafio espacial aponta claramente para mais integração dos elementos básicos do controlador de LED, enquanto a reconfiguração para o rápido tempo de colocação no mercado aponta para a capacidade de se comunicar com o IC do controlador de LED.

O controlador LED síncrono, totalmente n-channel, com interface SPI (Fig. 5) integra dois canais em um único IC, o que reduz o BOM e a área de cobertura da solução. Dois canais fora de fase suavizam a corrente de entrada, espalhando sua energia, resultando em menor corrente RMS e menores emissões EMI. Com uma corrente RMS mais baixa, capacitores de entrada menores e mais baratos podem ser usados. Uma frequência de comutação alta e bem controlada, fora da banda de frequência AM, reduz a interferência de radiofrequência e atende aos padrões EMI. Resposta transitória rápida evita flutuações de tensão e corrente de saída, o que é conseqüência da variação instantânea do comprimento da coluna de diodo em aplicações de escurecimento de alta razão. O dispositivo é ideal para plataformas de iluminação matricial e LED-driver module (LDM).

5. Controlador LED síncrono de alta potência e torque duplo.5. Controlador LED síncrono de alta potência e torque duplo.

A utilização de um processo avançado de silício permite que toda a função do controlador duplo seja alojada em um pequeno pacote. A retificação síncrona elimina os diodos Schottky e reduz significativamente as perdas de energia em aplicações de alta corrente, permitindo o uso de MOSFETs discretos menores.

Iluminação de baixa / média potência

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Drivers flexíveis de LED

Os LEDs penetraram em muitas aplicações de iluminação graças à sua versatilidade e eficiência. Como exemplo, os aplicativos portáteis de LED devem ser pequenos e eficientes o suficiente para caber no espaço existente sem superaquecer. Com tantas funções diferentes, pode-se esperar que um fabricante de iluminação seja renunciado a manter uma grande quantidade de diferentes drivers de LED em estoque. Isso pode ter implicações graves em termos de redução do poder de compra de um fabricante devido a pedidos de baixo volume, ciclos de projeto mais longos e atraso no mercado.

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É possível ter um driver de LED eficiente e altamente integrado que seja flexível o suficiente para cobrir a maioria dos aplicativos? Este estudo de caso analisa os requisitos de energia de três classes de aplicativos de iluminação LED e destaca a topologia ideal do driver de LED para cada caso (buck, boost, buck-boost). Em seguida, apresenta uma solução inovadora derivada de investimentos que atende aos desafios de integração, eficiência e flexibilidade.

As luzes do armário, as luzes do galpão e outras aplicações domésticas requerem um ou dois diodos de LED para operação e geralmente são operadas por bateria. Para um diodo LED típico que desenvolve 3,5 V a 1 A, esse tipo de aplicação pode ser bem servido por um simples conversor buck alimentado por uma bateria de 9V. Dentro Figura 6, a corrente do indutor do conversor buck aumenta quando N1 está “ligado” e é mantida “ligada” através de N2 quando N1 está “desligado”. A retificação síncrona é responsável pela alta eficiência.

6. Operação do conversor Buck.6. Operação do conversor Buck.

Aplicações domésticas mais brilhantes podem exigir três ou quatro luzes LED para operar. Aqui, a tensão varia de 10,5 a 14 V. Com a nossa bateria de 9 V, a melhor configuração para esse tipo de aplicação é um conversor de impulso.

Um exemplo de implementação de buck-boost derivado de buck é mostrado em Figura 7. Observe como a tensão de saída está sempre abaixo do solo. O indutor acumula corrente quando N1 está “ligado” e é mantido através de N2 quando N1 está “desligado”. A tensão no indutor se inverte a cada transição, independentemente do número de diodos. Por conseguinte, esta configuração pode operar com qualquer número de diodos na saída e uma queda de tensão na cadeia que agrega um valor acima ou abaixo da tensão de entrada (operação de reforço de buck).

7. Operação de aumento de buck derivada de buck.7. Operação de aumento de buck derivada de buck.

As aplicações mais brilhantes podem exigir longas seqüências de diodos. Nesse caso, a melhor configuração é o conversor de impulso. Em um conversor de impulso derivado de buck (Fig. 8), a tensão de saída flutua abaixo da tensão de entrada. O indutor acumula corrente quando N1 está “ligado” e é mantido através de N2 quando N1 está “desligado”. Para que a tensão no indutor se inverta a cada transição, o número de diodos deve ser alto o suficiente para que a tensão de saída seja negativa. em relação ao solo. Por esse motivo, a configuração pode operar apenas com um número alto de diodos na cadeia, que neste caso é oito (cadeia de 28 V).

8. Operação de impulso derivada de Buck.8. Operação de impulso derivada de Buck.

As implementações canônicas de buck, boost e buck-boost podem ser muito diferentes e são muito difíceis de conciliar em um único IC. No entanto, em aplicativos portáteis de LED, não faz diferença onde a string é referenciada em tensão. Isso abre a oportunidade de adotar uma topologia derivada de buck para o conversor buck-boost e boost.

Nos três exemplos acima, o cátodo do diodo inferior do LED é oportunisticamente referenciado a terra (buck) ou VFORA (buck-boost e boost), enquanto o ânodo do diodo superior do LED é referenciado a VFORA (buck) ou solo (aumento e aumento do buck). De fato, é possível, neste aplicativo, ter uma única topologia flexível para todos os casos, com pequenos ajustes do IC e da configuração do aplicativo.

Tele IC em Figura 9 é um driver de LED totalmente síncrono que fornece corrente de saída constante para acionar LEDs de alta potência. O IC integra dois MOSFETs de 60 mΩ de potência para operação síncrona, alta eficiência e um número mínimo de componentes externos. A configuração flexível suporta buck, invertendo o buck-boost e a conversão de impulso. Os dispositivos podem operar em dois modos. Para o modo buck, conecte um resistor de 2,49 kΩ de VCC ao pino PWMFRQ. Para o modo boost-boost ou boost, conecte um resistor de 17,8 kΩ de VCC ao pino PWMFRQ.

9. Conversor flexível e integrado no modo buck-boost.9. Conversor flexível e integrado no modo buck-boost.

Diodo infravermelho para sistemas de visão

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A visão de máquina é uma ferramenta importante para a Indústria 4.0. As câmeras infravermelhas (IR) utilizam um LED IR em combinação com um sensor fotográfico e são componentes críticos da visão de máquina, que é usada para medir e contar produtos, calcular peso ou volume do produto e inspecionar mercadorias na velocidade máxima em relação às características predefinidas. A iluminação com visão de máquina por infravermelho permite que os sistemas de visão industrial reconheçam objetos e suas condições sob condições difíceis de iluminação, como superfícies refletivas que produzem altos níveis de ruído no espectro visível, altos ou baixos níveis de iluminação ou áreas-alvo com intensidades de luz variáveis.

Todas essas funções e seus componentes eletrônicos associados devem se encaixar perfeitamente dentro de um robô, criando a necessidade de soluções flexíveis, pequenas e eficientes. Eles também devem lidar com ambientes elétricos industriais severos

Algumas vantagens importantes da luz infravermelha são sua invisibilidade ao olho humano e sua capacidade de trabalhar dia e noite. Figura 10 mostra os principais elementos de uma câmera infravermelha. O LED IR acende o alvo. A luz refletida é coletada pelo sensor de imagem (fotodíodo CCD ou CMOS) e processada pelo processador de visão para determinar a resposta à situação em questão.

10. Câmera IR LED para sistemas de visão.10. Câmera IR LED para sistemas de visão.

O driver de LED controla a intensidade da luz infravermelha e dispara na freqüência e no ciclo de trabalho corretos. Idealmente, ele deve trabalhar em um trilho CC de baixa tensão e lidar com um ambiente industrial severo.

O ambiente industrial está sujeito a interferência eletromagnética (EMI) devido a fontes externas e internas. O ruído de “arco e faísca” proveniente de componentes de solda, motores e sistemas semelhantes a pulsos afeta os trilhos de tensão de alimentação, produzindo subtensões ou sobretensões disruptivas. O conversor buck IR LED, apesar de suas formas de onda de comutação rápida, deve mitigar qualquer contribuição para esse ambiente barulhento. Como exemplo, o driver LED síncrono buck em Figura 11 oferece uma solução.

Iluminação LED de baixa potência

Small Lights

Os aplicativos de baixa potência podem ser alimentados pela linha CA ou por baterias. Em aplicações operadas por bateria, como iluminação do armário e outras aplicações domésticas, a fonte de energia pode ser algumas pilhas AAA, com amplas variações de tensão de entrada.

Essas aplicações domésticas e prediais requerem menos energia e são tratadas por ICs simples de função única. Aqui, o MAX20090 pode ser utilizado como um controlador de LED de reforço para cordas longas que exigem tensões acima do tijolo de potência nominal ou da tensão da bateria, ou como um regulador de tensão de reforço frontal. O conversor buck em Figura 11 pode acionar cadeias curtas de diodos conectados à bateria ou a um bloco de energia de baixa tensão. Como alternativa, ele pode acionar longas seqüências de diodos com a ajuda de um conversor de impulso de front-end.

11. Driver de LED IR integrado, solução síncrona.11. Driver de LED IR integrado, solução síncrona.

Para aplicações sensíveis ao ruído, um driver de LED linear pode ser utilizado. O driver de LED de três canais no Figura 12 opera de uma faixa de tensão de entrada de 5,5 a 40 V e fornece até 100 mA por canal para uma ou mais seqüências de LEDs da HB. A corrente de cada canal é programável usando um resistor externo de detecção de corrente em série com os LEDs. Três entradas DIM permitem uma ampla gama de escurecimento pulsado independente, além de fornecer o controle on e off das saídas. O circuito de modelagem de onda reduz a EMI, proporcionando tempos rápidos de ativação e desativação.

12. Driver linear para baixo ruído.12. Driver linear para baixo ruído.

Conclusão

A proliferação de módulos LED em aplicações gerais de iluminação impõe novos requisitos no hardware do sistema, incluindo tamanho reduzido de componentes para encaixar componentes eletrônicos adicionais no mesmo espaço, eficiência energética aprimorada para executar dentro do orçamento térmico igual ou inferior, arquiteturas conectadas e flexíveis que suportam várias configurações e controle preciso para preservar as características da luz do LED.

Este artigo discutiu os desafios da iluminação de alta potência e baixa / média potência, câmeras de infravermelho usadas em sistemas de visão e iluminação de baixa potência. Em cada caso, a melhor solução, com base na aplicação em questão, foi proposta.

Yin Wu é MBA e MSEE, e Nazzareno (Reno) Rossetti é especialista em sinais analógicos e mistos na Maxim Integrated.

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