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.
2LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
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
3LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
Simulazione PSpice
4LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
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
5LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
230V – 10 LED
VOUTVSEC
ISECIDRAIN
VDS
I TRANSIL
IDRAINISEC
VDS
Simulazione PSpice
6LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
230V – 10 LED
VOUTVSEC2
ISECIDRAIN
VDS
INGRESSO 230V USCITA 10 LED - 350mA TENSIONE USCITA =
35VDC TENSIONE SECONDARIO
= 14VDC
Simulazione PSpice
7LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
230V – 1 LED
VOUTVSEC2
ISECIDRAIN
VDS
INGRESSO 230V USCITA 1 LED - 350mA TENSIONE USCITA =
3.8VDC TENSIONE SECONDARIO
= 1.6VDCATTENZIONE !TENSIONE RIFLESSA
INSUFFICIENTE. FAULT DEL CONTROLLORE E DEL CIRCUITO DI CONTROLLO DELLA
CORRENTE.
Simulazione PSpice
8LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
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
9LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
230V – 10 LED
VSEC2VOUT
ISECIDRAIN
VDS
INGRESSO 230V USCITA 10 LED - 350mA TENSIONE USCITA =
33.7VDC TENSIONE SECONDARIO =
26.3VDC
Simulazione PSpice
10LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
230V – 1 LED
VSEC2VOUT
ISECIDRAIN
VDS
INGRESSO 230V USCITA 1 LED - 350mA TENSIONE USCITA =
3.3VDC TENSIONE SECONDARIO =
16VDC
Simulazione PSpice
11LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
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
12LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
230V – 10 LED
VSEC2VOUT
ISECIDRAIN
VDS
INGRESSO 230V USCITA 10 LED - 350mA TENSIONE USCITA =
33.6VDC TENSIONE SECONDARIO =
159VDC
Simulazione PSpice
13LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
230V – 1 LED
VSEC2VOUT
ISECIDRAIN
VDS
INGRESSO 230V USCITA 1 LED - 350mA TENSIONE USCITA =
3.45VDC TENSIONE SECONDARIO =
92VDC
Simulazione PSpice
14LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
90V – 10 LED
VSEC2VOUT
ISECIDRAIN
VDS
INGRESSO 90V USCITA 10 LED - 350mA TENSIONE USCITA =
34.7VDC TENSIONE SECONDARIO =
83VDC
Simulazione PSpice
15LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
90V – 1 LED
VSEC2VOUT
ISECIDRAIN
VDS
INGRESSO 90V USCITA 1 LED - 350mA TENSIONE USCITA =
3.5VDC TENSIONE SECONDARIO =
48.5VDC
Simulazione PSpice
16LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
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
17LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
Descrizione dello Schematico
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
18LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
Stadio di ingresso
1 ) C h 1 : 2 V o lt 2 .5 m s
IDS 2/div
Descrizione dello Schematico
19LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
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
Descrizione dello Schematico
20LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
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
Descrizione dello Schematico
21LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
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.
22LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
1220
1715
Soluzioni Circuitali Migliorative
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.
23LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
VIPER28LV IPER53
TRADEMARK STMicroelectronics
Soluzioni Circuitali Migliorative
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.
24LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
TL431 TSM1052
Soluzioni Circuitali Migliorative
Controllo PWM dell’intensità luminosa
25LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
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!
26LED: la luce del futuro
Roberto Volpini19/03/2009
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