El controlador LED de espectro amplio integrado reduce la EMI sin añadir parpadeo

Los controladores LED para automóviles deben ser compactos, eficientes y soportar la regulación PWM sin parpadeos. Deberían no producen una importante IEM conducida en la banda de radio AM y en sus alrededores. Desgraciadamente, las fuentes de alimentación conmutadas de alta potencia no suelen producir una EMI baja: la frecuencia de conmutación constante produce una firma de EMI significativa en varias frecuencias, incluida la frecuencia de funcionamiento fundamental de la fuente de alimentación y sus armónicos. Hay muchas posibilidades de que algo caiga en la banda AM.

Una forma de minimizar los picos de EMI es permitir que la frecuencia de funcionamiento de la fuente de alimentación conmutada (SMPS) abarque un rango de valores, es decir, la conmutación de espectro extendido. El efecto deseado de la conmutación de espectro extendido es repeler los picos de EMI que se producirían en la frecuencia de funcionamiento fundamental y en los armónicos de la SMPS, y en su lugar repartir la energía de EMI en un rango de frecuencias.

Los SMPS de controladores de LED tienen el requisito adicional de que la dispersión de la frecuencia también debe estar sincronizada con la frecuencia de atenuación PWM (control de brillo) para garantizar que no haya parpadeo de los LED.

Para ello, el LT3795 genera su propia señal de rampa de espectro ensanchado y la alinea con la entrada de atenuación PWM de menor frecuencia mediante una técnica pendiente de patente. Esto elimina la posibilidad de que la frecuencia del espectro ensanchado se combine con la señal PWM y produzca un parpadeo visible en los LEDs, incluso con la tasa de atenuación PWM más alta.

El LT3795 es un controlador de LED de alta potencia que utiliza el mismo esquema de atenuación PWM de alto rendimiento que la familia LT3756/LT3796, pero con la característica añadida de la rampa interna de espectro amplio para reducir la EMI. Se trata de un CI controlador de un interruptor con una entrada de 4,5 V a 110 V y una salida de 0 V a 110 V que puede configurarse como un controlador de LED en modo boost, SEPIC, buck-boost o buck. Tiene un rango de frecuencia de conmutación de 100kHz a 1MHz, protección de LEDs abiertos, protección contra cortocircuitos, y también puede funcionar como regulador de tensión constante con límite de corriente o como cargador de baterías SLA o de supercondensadores de corriente constante.

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La figura 1 muestra un controlador de faros LED para automóviles con un 92% de eficiencia, 80 V, 400 mA, 300 kHz-450 kHz, con modulación de frecuencia de espectro amplio y protección contra cortocircuitos.

Figura 1. Controlador de faros LED para automóviles de 80 V y 400 mA con espectro de dispersión interno para una baja EMI.

A diferencia de otros controladores de LED de alta potencia, el LT3795 genera su propia rampa de espectro ensanchado para producir una modulación de la frecuencia de conmutación de un 30% por debajo de la frecuencia de conmutación programada. Esto reduce sus picos de EMI conducida, lo que reduce la necesidad de costosos y engorrosos condensadores e inductores de filtro de entrada de EMI.

El uso de un reloj de espectro ensanchado externo, o independiente, para producir la frecuencia de conmutación en un controlador de LED puede producir un parpadeo visible durante la atenuación PWM porque el patrón de frecuencia de espectro ensanchado no está sincronizado con el periodo PWM. Por esta razón, en muchas aplicaciones de controladores LED de gama alta, la implementación del espectro ensanchado no es trivial. Sin espectro ensanchado, los diseñadores deben recurrir a voluminosos filtros EMI, resistencias de puerta que ralentizan los flancos de conmutación (pero reducen la eficiencia) y amortiguadores en el interruptor y el diodo de captura.

La figura 2 muestra una comparación de las mediciones de EMI conducida del controlador LED LT3795 en la banda AM cuando el espectro ensanchado está activado y desactivado. El funcionamiento normal (sin espectro ensanchado) produce picos de energía elevados en la frecuencia de conmutación y sus armónicos. Estos picos pueden impedir que el diseño cumpla los estrictos requisitos de EMI en aplicaciones sensibles a la EMI, como los automóviles. Como referencia, en la Figura 2 se muestran los límites de IEM conducida de la clase 5 de la norma CISPR de automoción. La figura 3 muestra el efecto de la dispersión del espectro en una banda de frecuencias más amplia.

Figura 2. Los picos de EMI conducida en torno a la banda AM se reducen en 3dBμV-6dBμV cuando se utiliza la modulación de frecuencia de espectro ensanchado LT3795. El límite de la banda AM de la CISPR25 Clase 5 se proporciona como referencia.

Figura 3. El escaneo del analizador de espectro del pico de EMI conducida del LT3795 de 150kHz-30MHz muestra la reducción de los picos de EMI en un amplio rango de frecuencias.

Como no hay límite entre 300kHz y 580kHz, éste es un lugar excelente para colocar la frecuencia fundamental. En esta aplicación se sitúa en 450kHz y se extiende hasta 300kHz. El espectro ensanchado se puede desactivar simplemente conectando a tierra la clavija RAMP.

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El condensador de 6,8nF de la patilla RAMP ajusta la tasa de modulación de frecuencia del espectro ensanchado a un triángulo de 1kHz, es decir, la frecuencia de funcionamiento del LT3795 cambia de 300kHz a 450kHz y viceversa cada milisegundo. La adición de la señal de propagación triangular de 1kHz tiene un efecto insignificante en la corriente de ondulación del LED, como se muestra en la figura 4.

Figura 4. El espectro ensanchado, tal y como está implementado en el LT3795, no tiene ningún efecto perceptible sobre el brillo del LED. El barrido de espectro ensanchado de 1kHz definido en la Figura 1 tiene un efecto insignificante sobre la corriente de ondulación del LED (b) en comparación con la ausencia de espectro ensanchado (a) y su frecuencia es demasiado alta para que el ojo humano la detecte como parpadeo.

La frecuencia de modulación de 1kHz se elige porque es lo suficientemente baja como para estar dentro de la banda pasante del LT3795, pero lo suficientemente alta como para atenuar significativamente los picos de EMI conducida de la banda de AM. Una mayor reducción de la frecuencia de modulación degrada la atenuación de los picos en la banda AM, donde puede ser más importante para la clasificación. La elección de la frecuencia de modulación del espectro ensanchado no parece afectar a la atenuación de los picos de IEM en las frecuencias más altas. El ojo humano no percibe nada por encima de los 100 Hz.

Es posible reducir la EMI con una fuente de espectro ensanchado que no esté sincronizada con la señal PWM, pero el latido de la frecuencia de conmutación y la señal PWM puede producir un parpadeo visible en el LED. La rampa de espectro amplio generada en el LT3795 se sincroniza con el periodo PWM cuando se utiliza la regulación PWM. Esto permite una regulación PWM repetible y sin parpadeos, incluso con relaciones de regulación elevadas de 1000:1.

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La figura 5 compara las formas de onda de la corriente de atenuación PWM de dos soluciones de espectro ensanchado: una con la técnica de sincronización de espectro ensanchado-PWM del LT3795, pendiente de patente, y otra sin ella. Ambas capturas se producen con persistencia infinita, mostrando una superposición de un número de ciclos de una forma de onda de atenuación PWM del 1%. La figura 5(a) muestra el resultado del funcionamiento del espectro ensanchado del LT3795 en la corriente PWM del LED. La forma de onda es consistente de ciclo a ciclo, lo que permite un funcionamiento sin parpadeos. La figura 5(b) muestra los resultados de una solución comparable sin el LT3795, con un espectro extendido. La variación ciclo a ciclo en la forma del tiempo de encendido produce una variación en la corriente media del LED, que puede verse como un parpadeo del LED a altas velocidades de atenuación.

Figura 5: Comparación de dos soluciones de controlador LED de espectro ensanchado y el efecto en la regulación PWM. Las capturas de pantalla continuas muestran formas de onda de corriente LED PWM repetidas y superpuestas. En (a), la técnica de espectro ensanchado del LT3795, pendiente de patente, produce una forma de tiempo de encendido del LED PWM consistente, ciclo a ciclo. Así se consigue un funcionamiento sin parpadeos a altas velocidades de regulación. Las formas de onda de (b) muestran un resultado comparable para un controlador de LED sin espectro ensanchado LT3795. En este caso, sin la sincronización entre el espectro ensanchado y el PWM del LT3795, la forma de onda de la corriente del LED es incoherente de un ciclo a otro, lo que da lugar a un parpadeo notable a altas velocidades de atenuación del PWM.

Ten en cuenta que los circuitos integrados de controladores de espectro ensanchado sin la técnica patentada LT3795 podrían producir un resultado limpio de reducción de EMI de espectro ensanchado, pero el parpadeo puede seguir estando presente. Hay que observar los LEDs o la forma de onda de la corriente de los LEDs para entender si hay parpadeo. En el caso del LT3795, tanto el escaneo de la EMI conducida como la instantánea del osciloscopio de la corriente del LED son buenos.

El controlador de LEDs de refuerzo LT3795 mostrado en la Figura 1 es a prueba de cortocircuitos. La desconexión PMOS del lado alto no sólo se utiliza para la atenuación PWM, sino también para la protección contra cortocircuitos cuando el terminal LED+ se pone en cortocircuito a tierra. Un circuito interno único supervisa cuando la corriente de salida es demasiado alta y la tensión del LED+ es demasiado baja, desactiva la desconexión PMOS y señala un fallo de cortocircuito en el LED.

Del mismo modo, si la cadena de LEDs se retira o se abre, el CI limita su tensión máxima de salida e informa de un fallo de LEDs abiertos.

El LT3795 puede utilizarse para accionar LEDs en una configuración boost, como se muestra aquí, o puede utilizarse en modo buck, buck-boost, SEPIC y topologías flyback cuando la relación entre la tensión de la cadena de LEDs y los rangos de tensión de entrada lo requieran. Todas las topologías tienen el mismo espectro de dispersión y protección contra cortocircuitos. El LT3795 puede incluso configurarse como regulador de tensión de refuerzo constante o SEPIC con modulación de frecuencia de espectro amplio.

El LT3795 es un versátil CI de controlador de LED de 110 V con modulación de frecuencia de espectro amplio incorporada para reducir la EMI. Esto simplifica el diseño de las aplicaciones LED que deben pasar rigurosas pruebas de EMI. El espectro ensanchado sólo requiere un condensador y, a diferencia de las soluciones de espectro ensanchado basadas en un reloj externo, produce un funcionamiento del LED sin parpadeos durante la regulación PWM. La protección contra cortocircuitos está disponible en todas las topologías, lo que convierte a este CI en una solución robusta y potente para el accionamiento de los LED de automoción.

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