El driver LED Buck-Boost alcanza un 98% de eficiencia, tiene regulación PWM interna y espectro de dispersión sin parpadeo
Los convertidores de cuatro conmutadores combinan dos convertidores (un buck y un boost) en un único convertidor, con la evidente ventaja de reducir el tamaño y el coste de la solución, así como de obtener una conversión de eficiencia relativamente alta. Los convertidores de alto rendimiento de 4 interruptores tienen esquemas de control cuidadosamente diseñados. Por ejemplo, para obtener la máxima eficiencia, un convertidor de 4 interruptores debería funcionar con sólo dos interruptores cuando sólo se requiera una conversión ascendente o descendente, pero utilizar los cuatro interruptores cuando VEN se acerca a VOUT. Un convertidor buck-boost bien diseñado transita con elegancia entre las tres regiones de funcionamiento - boost, buck y buck-boost - teniendo en cuenta el reto que supone combinar tres lazos de control: 2 interruptores boost, 2 interruptores buck y 4 interruptores.
El controlador LED buck-boost de 60 V del LT8391 está diseñado para controlar los LED de alta potencia y proporcionar una transición perfecta entre las regiones de funcionamiento boost de 2 interruptores, buck-boost de 4 interruptores y buck de 2 interruptores.
Un esquema de control de la resistencia sensora de corriente buck-boost de 4 conmutadores, pendiente de patente, proporciona un método sencillo pero magistral para que el CI funcione en modo de control de corriente de pico en todas las regiones de funcionamiento con una sola resistencia sensora. También permite que el CI funcione en modo CCM en condiciones de carga normal y en modo DCM en condiciones de carga ligera, al tiempo que mantiene el control de la corriente de inducción de pico ciclo a ciclo y evita la corriente negativa.
Este controlador LED buck-boost de última generación cuenta con modulación de frecuencia de espectro extendido y regulación PWM generada internamente. Ambas funciones trabajan juntas: el LT8391 admite la atenuación PWM sin parpadeos con atenuación PWM interna o externa, incluso cuando se activa el espectro ensanchado (tecnología pendiente de patente).
driver LED Buck-Boost síncrono de 50 W con una eficiencia del 98%
El driver LED buck-boost de alta potencia LT8391 de la Figura 1 alimenta LEDs de 25V a 2A a partir de una amplia gama de tensiones de entrada. El convertidor buck-boost de 60V funciona con una entrada de hasta 4V. Cuando la tensión de entrada es baja, las corrientes de entrada y de pico de los interruptores pueden alcanzar un nivel elevado. Cuando VEN cae lo suficiente como para alcanzar el límite de corriente de inductancia máxima, el CI puede mantener la estabilidad y regular en su límite de corriente máxima, aunque con una potencia de salida reducida, como se muestra en la Figura 2. Esto es una ventaja desde el punto de vista del diseño del sistema: al pasar por un VEN la condición de arranque en frío con un brillo de salida reducido es una buena alternativa a aumentar el límite de corriente -y dimensionar la inductancia, el coste, el espacio en la placa y la corriente de entrada- sólo para mantener las luces a pleno rendimiento durante un transitorio de baja VEN condiciones.
Figura 1. El controlador LED buck-boost síncrono LT8391 de 4V-60V alimenta una cadena de LED de 25V, 2A (50W) con una eficiencia de hasta el 98%.
La eficiencia del driver LED de 50W de la figura 1 alcanza el 98% en su punto más alto (figura 2). En el rango típico de entrada de la batería del automóvil, de 9V a 16V, el convertidor funciona con una eficiencia de entre el 95% y el 97%.
Figura 2: Eficiencia y corriente del LED en función de la tensión de entrada para el driver LED de 50 W de la figura 1. La eficiencia alcanza un pico del 98% y no se aleja de este pico, oscilando entre el 95% y el 97% en el rango de entrada típico del automóvil, de 9V-16V. También puede verse que el límite de corriente de inductancia de pico del LT8391 puede mantener una salida estable con una potencia de salida reducida a VEN.
Con los MOSFET de alta potencia y un único inductor de alta potencia, el aumento de temperatura de este convertidor es bajo, incluso a 50 W. A la entrada de 12V, ningún componente se eleva más de 25ºC por encima de la temperatura ambiente, como muestran los escaneos térmicos de la Figura 3. A la entrada de 6V, el componente más caliente se eleva menos de 50ºC con una placa de circuito impreso estándar de 4 capas y sin disipador de calor ni flujo de aire. Es posible aumentar la potencia de salida; cientos de vatios son posibles con un convertidor de una sola etapa.
Figura 3. Las imágenes térmicas del controlador LED buck-boost de la figura 1 muestran un aumento de temperatura bien contenido en un amplio rango de VEN.
El controlador LED de 50 W puede lograr una regulación PWM de 1000:1 a 120 Hz sin parpadeo. El MOSFET PWM TG del lado alto proporciona una regulación PWM de una cadena de LEDs conectada a tierra en la salida. Además, actúa como desconectador de sobrecorriente en caso de cortocircuito. La patilla de entrada PWM sirve tanto como receptor de la forma de onda de entrada PWM de nivel lógico estándar para la regulación PWM externa, como de nueva entrada analógica que determina el ciclo de trabajo PWM generado internamente.
Regulación PWM generada internamente
El LT8391 tiene dos formas de regulación PWM: la regulación PWM externa estándar y la regulación PWM generada internamente. La exclusiva función de atenuación PWM interna del LT8391 elimina la necesidad de componentes externos, como dispositivos de sincronización y microcontroladores, para generar un control de brillo de atenuación PWM de gran precisión con relaciones de hasta 128:1.
La frecuencia PWM generada internamente por el CI, como 200Hz, se define mediante una resistencia en el pin RP. La tensión en la patilla PWM, ajustada entre 1,0V y 2,0V, determina el ciclo de trabajo de atenuación PWM del generador interno para un control preciso del brillo. El ciclo de trabajo de atenuación interno se selecciona entre 128 pasos y la histéresis interna evita las fluctuaciones del ciclo de trabajo. La precisión superior a ±1% de la regulación PWM generada internamente no cambia en las regiones de funcionamiento boost, buck y buck-boost.
Figura 4. La corriente del LED muestra una respuesta estable a un pin CTRL alimentado de 1A a 2A.
El espectro ensanchado reduce la EMI
La modulación de frecuencia de espectro amplio reduce la EMI en los reguladores de conmutación. Aunque la frecuencia de conmutación suele elegirse fuera de la banda de frecuencias AM (de 530kHz a 1,8MHz), los armónicos de conmutación no atenuados pueden seguir violando los estrictos requisitos de la automoción en cuanto a la EMI de pico y media en la banda AM. Añadir un espectro ensanchado a una fuente de alimentación conmutada de 400 kHz puede reducir significativamente la EMI de los conductores de faros de alta potencia, tanto en la banda AM como en otras regiones, como las bandas de radio de onda media y corta.
Cuando está activado, el SSFM reduce la EMI del controlador LED LT8391 de 50 W por debajo de los requisitos de EMI de pico y media de la norma CISPR25 en la banda AM (véase la figura 5). El requisito de EMI media es más difícil de cumplir: 20dBµV por debajo del límite de pico. Por esta razón, el nuevo LT8391 SSFM reduce la EMI media incluso más que la EMI de pico. Puedes ver que hay una reducción de 18dBµV o más en la EMI media, mientras que sigue habiendo una reducción de unos 5dBµV en la EMI de pico. El espectro ensanchado es muy útil para limitar el efecto del convertidor en otros componentes electrónicos del automóvil sensibles a la EMI, como la radio y las comunicaciones.
Figura 5. La modulación de frecuencia de espectro amplio (SSFM) reduce la EMI de pico y media del LT8391 por debajo de los límites de la norma CISPR25. La reducción de la EMI media es incluso mayor que la reducción de la EMI de pico con el LT8391 SSFM.
En algunos convertidores, el espectro ensanchado y la regulación PWM de los LEDs sin parpadeo no funcionan bien juntos. El SSFM, una fuente de cambio de la frecuencia de conmutación, puede parecer ruido para el mundo exterior -difundir la energía EMI, repartiendo los picos no repartidos-, pero puede funcionar con la regulación PWM para un funcionamiento sin parpadeos. La regulación PWM pendiente de patente de Linear y el funcionamiento de espectro ensanchado están diseñados para realizar ambas funciones simultáneamente con un funcionamiento sin parpadeos, incluso a altas velocidades de regulación. Con una atenuación PWM de 1000:1 con un PWM externo, y con un PWM de 128:1 generado internamente, el espectro ensanchado sigue funcionando con una corriente LED sin parpadeos, como se muestra en las fotos de alcance de persistencia infinita de la Figura 6.
Figura 6. Las trazas de alcance de persistencia infinita muestran que la regulación PWM y la SSFM funcionan juntas para un control del brillo sin parpadeos con una regulación PWM generada externa e internamente.
MOSFETs QFN y de doble envase para soluciones compactas Buck-Boost
El LT8391 está disponible en dos tipos de encapsulado, un encapsulado FE de 28 pines y un encapsulado QFN más pequeño de 4 mm × 5 mm. Los diseñadores que necesiten acceder a las patillas para realizar pruebas a bordo y protocolos de fabricación pueden preferir el encapsulado FE de 28 patillas, pero otros estarán contentos con la huella QFN más pequeña. Quienes tengan limitaciones de espacio pueden combinar el QFN con un conjunto de MOSFET de 3 mm × 3 mm o de 5 mm × 5 mm de doble paquete. Un controlador síncrono buck-boost no necesita mucho espacio en la placa: se puede conseguir una eficiencia muy alta en todo el rango principal del automóvil cuando se eligen los MOSFET de doble paquete para que ocupen muy poco espacio en la placa de circuito impreso.
El controlador de LED buck-boost de 4V a 60V de entrada, 16V y 1A que se muestra en la Figura 7 utiliza dos de estos MOSFETs de doble paquete y el LT8391 QFN, logrando una eficiencia máxima de más del 95%. El ahorro de espacio se ilustra en la figura 8.
Figura 7. Solución compacta compuesta por el LT8391 en un QFN y MOSFETs de doble envoltura. Este convertidor buck-boost de 4 conmutadores, con una entrada de 4V-60V, alimenta LEDs de 12V-16V a 1A (16W) con una huella mínima y alta eficiencia.
Figura 8. Comparación de la solución compacta mostrada en la figura 6 con la solución de la figura 1. La solución compacta, con MOSFETs de doble paquete de 5 mm × 5 mm y 3 mm × 3 mm, reduce el espacio de la placa en este convertidor buck-boost síncrono de 4 interruptores.
Los MOSFETs de doble empaquetado sólo experimentan un aumento de temperatura de 15°C en condiciones de funcionamiento de alta y baja tensión de entrada, como se muestra en la Figura 9. Los MOSFETs de doble paquete pueden manejar cargas de 12V, 2A+ (25W) manteniendo una alta eficiencia. Para reducir aún más el tamaño de la solución, se pueden utilizar paquetes de MOSFET duales más pequeños de 3 mm × 3 mm en ambas ranuras. Para una potencia ligeramente superior, o para acomodar tensiones más altas, se pueden utilizar los paquetes más grandes de 5 mm × 5 mm para ambos MOSFET duales.
Figura 9. El sistema compacto de la figura 6 sólo tiene un aumento de temperatura de 15º en los MOSFETs duales tanto a V baja como a V altaEN.
Corriente constante, tensión constante y C/10 Bandera para cargadores de baterías SLA
La capacidad de corriente y tensión constantes de los controladores LED los hace adecuados para su uso como cargadores de baterías, especialmente cuando el controlador también tiene detección y señalización C/10. La detección C/10 en el LT8391 conmuta el estado del pin FAULT y puede utilizarse para cambiar la tensión de carga regulada de una batería SLA a una tensión flotante diferente, pero regulada, a medida que la corriente de carga disminuye.
El cargador de baterías SLA de 7,8 A basado en el LT8391, que se muestra en la Figura 10, tiene una eficiencia máxima del 97% (Figura 11) y admite la carga de corriente constante, la carga de tensión constante y el mantenimiento de la tensión flotante en las tres regiones de funcionamiento: boost, buck y buck-boost.
Figura 10. Un cargador de baterías selladas de plomo-ácido (SLA) de 7,8 A con alta eficiencia, cuatro pequeños MOSFET de 3 mm x 3 mm y regulación de la tensión de carga y retención.
Figura 11. Eficiencia del cargador de baterías SLA.
Este cargador gestiona los cortocircuitos, la desconexión de la batería y evita la corriente inversa de la batería. El funcionamiento DCM y una resistencia de detección de picos del inductor de nuevo diseño detectan los picos de corriente en todo momento y evitan que la corriente retroceda por el inductor y los interruptores, un posible escollo de algunos cargadores de baterías buck-boost de 4 interruptores que utilizan el funcionamiento continuo forzado.
El perfil de carga de la Figura 12 muestra el estado de carga de corriente constante de 7,8 A, el estado de carga de tensión constante y el estado de flotación de baja corriente de este cargador de baterías SLA buck-boost. La figura 13 muestra escaneos térmicos del cargador funcionando a diferentes VEN.
Figura 12. Los tres estados de carga de un cargador de baterías SLA LT8391 incluyen la carga de corriente constante, la carga de tensión constante y la regulación de tensión flotante.
Figura 13. Rendimiento térmico del cargador de baterías SLA.
Hazte ecológico con la iluminación LED de alta potencia para edificios de CA
Los diseños de iluminación LED de alta potencia para los nuevos edificios y estructuras son respetuosos con el medio ambiente y robustos. Con unos índices de fallo y sustitución muy bajos, los LED ofrecen un excelente control del color y la luminosidad, al tiempo que reducen los residuos peligrosos y aumentan la eficiencia energética. La iluminación halógena que suele llevar transformadores de 24VAC puede sustituirse por una iluminación LED de CA más eficiente con el LT8391.
El convertidor de iluminación LED de 84 W de CA de la figura 14 alimenta LEDs de 15 V-25 V a corrientes de CA de 120 Hz de hasta 6 A. Un rectificador de onda completa convierte 24VAC a 60Hz en una media onda de 120Hz a la entrada del LT8391. La conversión de cuatro conmutadores permite al LT8391 conmutar entre las regiones de funcionamiento boost, buck-boost y buck y regular una salida de LED de CA con un alto factor de potencia en la entrada. Las formas de onda de la figura 15 muestran un factor de potencia del 98%, manteniendo una eficiencia del 93% a muy alta potencia. El análisis térmico de la figura 16 muestra el rectificador de onda completa.
Figura 14. La iluminación LED de 84 W y 120 Hz de CA con una entrada de 24 V CA y 60 Hz tiene un rendimiento del 93% y un factor de potencia del 98% para cumplir las normas ecológicas de la iluminación de edificios nuevos.
Figura 15. Las formas de onda de la corriente y la tensión de entrada del driver LED de CA de 84 W y 120 Hz muestran un factor de potencia del 98%.
Figura 16. El diodo ideal LT4320 utilizado en la solución de iluminación LED de 24VAC permanece frío y mantiene una alta eficiencia; los componentes discretos se mantienen por debajo de los 55°C.
Conclusión
El controlador LED buck-boost síncrono de 60 V del LT8391 puede alimentar cadenas de LED de gran potencia y puede utilizarse en diseños compactos de gran eficiencia. Presenta una modulación de frecuencia de espectro ensanchado para una baja EMI y una atenuación PWM externa e interna sin parpadeos. La conmutación síncrona ofrece una alta eficiencia debido a su amplio rango de tensión de entrada, pero también ofrece un funcionamiento DCM a baja carga para evitar la corriente inversa y mantener una alta eficiencia. El funcionamiento a corriente y tensión constantes, combinado con su detección C/10, hacen que el LT8391 sea adecuado para aplicaciones de cargador de baterías SLA de alta potencia con terminación de carga y tensión de flotación.
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