Led Roberto Volpini

LED DRIVER 20WAnalisi e Principi di Funzionamento

Obiettivi di Progetto. Definizione Specifiche Tecniche. Simulazione Pspice. Descrizione dello Schematico. Soluzioni Circuitali Migliorative. (Design 2004)

1LED: la luce del futuro

Roberto Volpini19/03/2009

Obiettivi di Progetto

Semplicità circuitale.Ingresso wide range.Potenza di ingresso < 25W. (PFC non richiesto)

LED 350mA, con la possibilità di pilotarne da 1 a 10.Circuito di controllo della corrente integrato. Protezioni contro il corto circuito e la sovratensione.Trasformatore con singolo avvolgimento secondario.Possibilità di operare in assenza di carico.



Obiettivi di Progetto

S P E C I F I C H E T E C N I C H EINGRESSOTENSIONE 90-260VFREQUENZA 47-63HZPOTENZA 20W MAXSPECIFICHE LED CORRENTE IF 350mA NOM TENSIONE VF 3.42V NOM TENSIONE VF 4V MAXUSCITA (VIN 90-260V, TA 20°C)

NUMERO LED MAX 10 NUMERO LED MIN 1 IOUT REGOLATA 350mA 5% VOUT (CARICO 10 LED) 34V10% VOUT (CARICO 1 LED) 3.42V10%FREQUENZA DI LAVORO 60KHZ (@PMAX 20W, TA 20°C)

TEMPERATURA OPERATIVA -10°C +45°C(@PMAX 20W, VIN 90V )

ISOLAMENTO PRIMARIO / SECONDARIO 4KV (@50HZ, 2”)DIMENSIONI MAX 90X100X32 mm PESO 95 g CIRCA



Simulazione PSpice



VDD

VG

GNDVFB

VCC

VI VO

VFBNp

Ns1

Ns2Naux

V B (1 2 5 - 3 7 0 V d c )

Q 1

R 1

D 3

D 1

D 2

D L 1

D L n

FLYBACK OFF-LINE

ControllorePWM

Controllocorrente

CIRCUITO STANDARD

+ C 2

+

C 1

+ C 3

Simulazione PSpice



230V – 10 LED

VOUTVSEC

ISECIDRAIN

VDS

I TRANSIL

IDRAINISEC

VDS

Simulazione PSpice



230V – 10 LED

VOUTVSEC2

ISECIDRAIN

VDS

INGRESSO 230V USCITA 10 LED - 350mA TENSIONE USCITA =

35VDC TENSIONE SECONDARIO

= 14VDC

Simulazione PSpice



230V – 1 LED

VOUTVSEC2

ISECIDRAIN

VDS


3.8VDC TENSIONE SECONDARIO

= 1.6VDCATTENZIONE !TENSIONE RIFLESSA

INSUFFICIENTE. FAULT DEL CONTROLLORE E DEL CIRCUITO DI CONTROLLO DELLA

CORRENTE.

Simulazione PSpice



VFB

VDD

VI

VG

GND

VO

VFBVCCNp

Ns2

Ns1

Naux

V B (1 2 5 - 3 7 0 V d c )

Q 1

R 1

D 3

D 1

D 2

D L 1

D L n

ControllorePWM

Controllocorrente

FLYBACK OFF-LINECIRCUITO ALIMENTATO INDIPENDENTEMENTE DAL VALORE TENSIONE DI USCITA

+

C 1

+ C 2

+ C 3

Regolatore

Regolatore

Simulazione PSpice



230V – 10 LED

VSEC2VOUT

ISECIDRAIN

VDS


33.7VDC TENSIONE SECONDARIO =

26.3VDC

Simulazione PSpice



230V – 1 LED

VSEC2VOUT

ISECIDRAIN

VDS



16VDC

Simulazione PSpice



Regolatore

CON UN SOLO AVVOLGIMENTO SECONDARIO

VDD

VFB GND

VG

Regolatore

VI

VCC VFB

VO

Np

Ns1

Naux

V B (1 2 5 - 3 7 0 V d c )

Q 1

R 1

D 3

D 1

D 2

D L 1

D L n

ControllorePWM

FLYBACK OFF-LINE

Controllocorrente

CIRCUITO ALIMENTATO INDIPENDENTEMENTE DAL VALORE TENSIONE DI USCITA

+

C 1

+ C 2

+ C 3

Simulazione PSpice



230V – 10 LED

VSEC2VOUT

ISECIDRAIN

VDS



159VDC

Simulazione PSpice



230V – 1 LED

VSEC2VOUT

ISECIDRAIN

VDS



92VDC

Simulazione PSpice



90V – 10 LED

VSEC2VOUT

ISECIDRAIN

VDS



83VDC

Simulazione PSpice



90V – 1 LED

VSEC2VOUT

ISECIDRAIN

VDS



48.5VDC

Simulazione PSpice



Regolatore

VDD

CON UN SOLO AVVOLGIMENTO SECONDARIO E REGOLAZIONE LATO MASSA

VFB

VG

GND

Regolatore

VCCVIVO

VFB

Np

Ns1

Naux

V B (1 2 5 - 3 7 0 V d c )

Q 1

R 1

D 3

D 1

D 2

D L 1

D L n

Controllocorrente

ControllorePWM

FLYBACK OFF-LINECIRCUITO ALIMENTATO INDIPENDENTEMENTE DAL VALORE TENSIONE DI USCITA

+

C 1

+ C 3

+ C 2

Descrizione dello Schematico

Flyback off-line basato sul controllore Viper53, frequenza di lavoro programmata a 60kHz.

Trasformatore dimensionato per la IDlim max. Auto alimentazione del controllore di forward. Tensione di servizio al secondario di forward. Singolo avvolgimento secondario, utilizzato per

l’alimentazione dei LED e per l’alimentazione del circuito di controllo secondario.

Semplicità del circuito di regolazione del feedback di corrente, tramite regolatore di precisione TL431.

Limitazione della sovratensione secondario.

TRADEMARK STMicroelectronics




C 31 0 0 n F / X2C 1

1 0 0 n F / X2

L 1F 1

T1 A

- +

D 1D F 0 8

C 72 . 2 n F / Y 2

R V 12 7 5 V

3

6

1

4

90-260V50-60Hz

C 82 . 2 n F / Y 2

L

N

C 22 . 2 n F / Y 2

C 42 . 2 n F / Y 2

P E

R V 2

N TC 1 0

C 1 64 7 n F / 6 3 0 V

+C 5

3 3 u F / 4 0 0 V

1242.0008



Stadio di ingresso

1 ) C h 1 : 2 V o lt 2 .5 m s

IDS 2/div




Circuito primario

+VB

VFB

D 2

1 . 5 K E 1 8 0

D 3

S TTA 1 0 6 UVdd

7

D

5

S

3

O S C2

CO

MP

1

TO

VL

8S

4

U 1

V I P E R 5 3 D I P -8

T1

D 5S TTA 1 0 6 U

+

C 1 22 2 u F / 2 5 V

R 1 12 . 2 k

C 1 34 . 7 n F

R 45 . 6 k

1220.000910

6

9

8

Q 1S TD 1 N K 6 0 T4

C 1 44 7 0 p F

+

C 1 56 . 8 u F / 1 6 V

R 51 8 k

D 1 01 5 V

VDS 100V/div

IDS 0.5A/div

t 5us




Circuito primario

+VB

VFB

D 2

1 . 5 K E 1 8 0

D 3

S TTA 1 0 6 UVdd

7

D

5

S

3

O S C2

CO

MP

1

TO

VL

8S

4

U 1

V I P E R 5 3 D I P -8

T1

D 5S TTA 1 0 6 U

+

C 1 22 2 u F / 2 5 V

R 1 12 . 2 k

C 1 34 . 7 n F

R 45 . 6 k

1220.000910

6

9

8

Q 1S TD 1 N K 6 0 T4

C 1 44 7 0 p F

+

C 1 56 . 8 u F / 1 6 V

R 51 8 k

D 1 01 5 V




D 9TL 4 3 1 C Z

D 6

S TTA 1 0 6 U

+C 6

1 0 0 u F / 1 0 0 V

0V

+V b

+V a

R 34 7 k

2

4

Q 3S TD 1 N K 6 0 T4

C 94 7 n F / 4 0 0 V

R 91 k

D 85 . 1 V

D 44 7 V 3 %

R 81 0 k

Q 2 AB C 3 3 7

R 12 . 2 k

D 1 1S TTA 1 0 6 U

D 72 4 V

R 71 8 0 k

+ C 1 01 u F / 5 0 V

R 1 04 . 7 k

R 1 21 5 / 1 W

C N Y 1 7 -3U 2

R 21 5 / 1 W

R 61 k

C 1 14 7 n F

Circuito secondario

V_D11 50V/div VDS 100V/div I_LED 0.5A/div

230V – 10 LED

V_D11 50V/div VDS 100V/div I_LED 0.5A/div

230V – 1 LED

Soluzioni Circuitali Migliorative

Nuovo trasformatore : il trasformatore della famiglia 1220, impiegato nel progetto originale, può essere sostituito dal trasformatore della nuova famiglia 1715, pur essendo sempre basata su un nucleo E20/7 permette però di ottenere valori di induttanza dispersa molto più contenuti (@-1.5%), questo aspetto influenza significativamente molti parametri : minore energia immagazzinata dell’induttanza dispersa e quindi maggiore efficienza; minore temperatura operativa del transil e del controllore; maggiore margine di sicurezza verso la VDSmax.



1220

1715


Nuovo controllore : il controllore monolitico di prima generazione Viper53 può oggi essere sostituito dal nuovo controllore monolitico di ultima generazione Viper28L, questo permette di ottenere molti vantaggi, tra questi i più importanti sono : la tensione di VDS passa da 620V a 800V, la corrente massima di drain non è più pre impostata a 2.3Amax ma può essere programmata, l’oscillatore ha un jittering (deviazione ±4kHz, modulazione 250Hz), questo permette di ridurre le problematiche di EMC/EMI, distribuendo in uno spettro più ampio le armoniche generate dalla frequenza fondamentale.



VIPER28LV IPER53

TRADEMARK STMicroelectronics


Nuovo reference : il reference utilizzato nel progetto originale TL431 può oggi essere sostituito con il nuovo TSM1052, questo nuovo dispositivo realizza l’anello di corrente con un riferimento di tensione a 0,2V contro 2,5V del TL431, grazie a questo si ha una minore dissipazione sulla resistenza di sense, riducendo così la potenza spesa da 0,88W a 0,07W, in questo modo si ottiene un incremento del rendimento del 4%. In oltre sarà possibile eliminare la rete di controllo in tensione, realizzata con Q2A, grazie al doppio anello di controllo di tensione e corrente, presente nel TSM1052.



TL431 TSM1052


Controllo PWM dell’intensità luminosa



C 31 0 0 n F / X2C 1

1 0 0 n F / X2

L 1F 1

T1 A

- +

D 1D F 0 8

D 9TL 4 3 1 C Z

C 72 . 2 n F / Y 2

D 3

S TTA 1 0 6 U

D 2

1 . 5 K E 1 8 0

Vdd

7

D5

S3

O S C2

CO

MP

1

TO

VL

8

S4

U 1V I P E R 5 3 D I P -8

T1

D 5

S TTA 1 0 6 U D 6

S TTA 1 0 6 U

+C 1 22 2 u F / 2 5 V

R 1 12 . 2 kC 1 3

4 . 7 n F

R 45 . 6 k

+C 6

1 0 0 u F / 1 0 0 V

0V

+V b

+V a

R V 12 7 5 V

3

6

1

4

90-260V50-60Hz

1220.0009

R 34 7 k

C 82 . 2 n F / Y 2

2

410

6

9

8

Q 1S TD 1 N K 6 0 T4

L

N

Q 3S TD 1 N K 6 0 T4

C 1 44 7 0 p F

+

C 1 56 . 8 u F / 1 6 V

C 94 7 n F / 4 0 0 V

R 91 k

D 85 . 1 V

C 22 . 2 n F / Y 2

C 42 . 2 n F / Y 2

P E

R 51 8 k

D 1 01 5 V

R V 2

N TC 1 0D 4

4 7 V 3 %

R 81 0 k

Q 2 AB C 3 3 7

R 12 . 2 k

D 1 1S TTA 1 0 6 U

D 72 4 V

R 71 8 0 k

C 1 64 7 n F / 6 3 0 V

+ C 1 01 u F / 5 0 V

+C 5

3 3 u F / 4 0 0 V

R 1 04 . 7 k

R 1 21 5 / 1 W

C N Y 1 7 -3U 2

1242.0008

R 21 5 / 1 W

R 61 k

C 1 14 7 n F

PWM_H

PWM_L

CNY17-3

R13

330

Caratteristiche della tensione

di controllo del PWM

Ampiezza 4.5V – 10V Duty 85% max (definito come

ton/T) Frequenza 70 – 100Hz

Tton

Vp

LED DRIVER 20WAnalisi e Principi di Funzionamento

Fine presentazione.

Grazie per l’attenzione!



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