1. Principio di funzionamento dei LED

Prima di progettare un circuito driver, è importante capire come funziona un LED. La luminosità di un LED è determinata principalmente dalla sua tensione diretta (VF) e corrente diretta (IF). La curva caratteristica corrente-tensione è mostrata nella Figura 1. Qui, VF rappresenta la caduta di tensione diretta, mentre IF è la corrente diretta.

Una volta che la tensione diretta applicata supera il livello di soglia (noto anche come tensione di accensione, in questo caso circa 1.7 V), IF può essere considerato quasi proporzionale a VFCome illustrato nella figura, la corrente diretta massima di un LED può raggiungere fino a 1 A, mentre l'intervallo tipico della tensione diretta è compreso tra circa 2 V e 4 V.

Figura 1. Relazione tra VF e IF

La caduta di tensione diretta di un LED può variare in un intervallo relativamente ampio (più di 1 V). Dalla curva VF–IF mostrata sopra, è chiaro che anche una piccola variazione di VF può causare una grande variazione in IF, che a sua volta porta a significative fluttuazioni di luminosità. Per questo motivo, le caratteristiche luminose dei LED sono generalmente descritte come funzione della corrente piuttosto che della tensione.

Tuttavia, nei tipici circuiti raddrizzatori, la tensione di uscita fluttua al variare della tensione di rete. Ciò significa che l'utilizzo di una sorgente a tensione costante non può garantire una luminosità costante dei LED e può influire negativamente sulle prestazioni dei LED. Pertanto, i driver LED sono generalmente progettati per funzionare come sorgenti a corrente costante.

2. Tecniche di guida a LED

Dal principio di funzionamento dei LED, è chiaro che per mantenere una luminosità ottimale, un LED deve essere alimentato da una sorgente a corrente costante. Il ruolo del driver non è solo quello di garantire questa caratteristica di corrente costante, ma anche di ridurre i consumi energetici.

Per soddisfare questi requisiti, i metodi di controllo della corrente comunemente utilizzati includono:

• Regolazione del valore di un resistore limitatore di corrente per regolare la corrente.
• Variando la tensione di riferimento attraverso il resistore limitatore di corrente per controllare la corrente.
• Utilizzo della modulazione di larghezza di impulso (PWM) per ottenere la regolazione della corrente.

Le tecniche impiegate nei driver LED sono molto simili a quelle utilizzate negli alimentatori switching. In sostanza, un driver LED è un tipo di circuito di conversione di potenza, ma la sua uscita è un corrente continua piuttosto che una tensione costante. In tutte le condizioni, il circuito deve fornire una corrente media stabile, con una corrente di ripple mantenuta entro un intervallo specificato.

(1) Metodo di limitazione della corrente
La figura 2 mostra il circuito più semplice che utilizza il metodo di limitazione della corrente.

Figura 2. Circuito più semplice del metodo di limitazione della corrente

Come mostrato in Figure 3 Questa è la configurazione circuitale tradizionale. La tensione di rete viene abbassata, raddrizzata e filtrata, quindi viene utilizzata una resistenza in serie per limitare la corrente, in modo da mantenere il LED in funzione in modo stabile e fornire una protezione di base.

Tuttavia, lo svantaggio fatale di questo approccio è che la potenza dissipata nel resistore R riduce direttamente l'efficienza del sistema. In combinazione con le perdite del trasformatore, l'efficienza complessiva del sistema è solo di circa 50%Inoltre, quando la tensione di alimentazione fluttua entro ±10%, la corrente attraverso il LED può variare di 25% o piùe la potenza erogata al LED può variare di oltre 30%.

Il vantaggio principale della limitazione della corrente del resistore è il suo semplicità, basso costo e assenza di interferenze elettromagnetiche (EMI)Tuttavia, i suoi svantaggi sono significativi: la luminosità del LED cambia con le variazioni di VF, l'efficienza è molto bassa e la dissipazione del calore diventa un problema serio.

Figura 3. Circuito di limitazione della corrente del resistore tradizionale

È disponibile online anche un articolo molto chiaro sul metodo di limitazione della corrente a cui si può fare riferimento: https://www.ourpcb.com/current-limiting-resistor.html

Per maggiori informazioni sulla retroilluminazione a LED a corrente costante, vedere: https://www.orientdisplay.com/wp-content/uploads/2018/07/OrientDisplay-Backlight-Constant-Current-Driver.pdf

(2) Metodo di regolazione della tensione
Come mostrato in Figure 4 , questo circuito si basa sulla Figura 3, con l'aggiunta di un regolatore di tensione integrato (MC7809). Questo mantiene la tensione di uscita sostanzialmente stabile a 9 V, consentendo al resistore limitatore di corrente R essere molto piccoli, il che impedisce l'instabilità della tensione attraverso il LED.

Tuttavia, l'efficienza di questo circuito rimane bassa. Poiché la caduta di tensione sia sull'MC7809 che sul resistore R1 è ancora significativa, l'efficienza complessiva è solo di circa 40%Per ottenere un funzionamento stabile dei LED e una maggiore efficienza, è necessario utilizzare componenti e circuiti limitatori di corrente a bassa potenza per migliorare le prestazioni del sistema.

Il metodo di regolazione lineare della tensione presenta i vantaggi di struttura semplice, pochi componenti esterni, efficienza media e costo relativamente basso.

Figura 4 Metodo di regolazione della tensione

(3) Metodo PWM
La tecnologia PWM (Pulse Width Modulation) controlla la luminosità dei LED regolando il duty cycle degli impulsi di corrente di pilotaggio. Questa tecnica di dimmeraggio accende e spegne ripetutamente il driver LED utilizzando semplici impulsi digitali. Fornendo impulsi digitali di larghezza variabile, è possibile modulare la corrente di uscita, modificando così la luminosità di un LED bianco.

La caratteristica distintiva di questo circuito di pilotaggio è che l'energia viene trasferita al carico tramite un induttore. Tipicamente, un segnale di controllo PWM viene utilizzato per accendere e spegnere un transistor MOSFET. Variando il duty cycle del segnale PWM e il tempo di carica/scarica dell'induttore, è possibile regolare il rapporto tra tensione di ingresso e di uscita.

Le topologie di circuito comuni di questo tipo includono convertitori buck, boost e buck-boostI vantaggi del metodo PWM sono alta efficienza e prestazioni stabili, ma i suoi svantaggi includono rumore udibile, costi più elevati e design più complesso.

Figura 5. Circuito di pilotaggio LED mediante metodo PWM

Come mostrato in Figure 5 , il segnale PWM è collegato attraverso la base del transistor VQ1 al gate di un MOSFET a canale P. Il gate del MOSFET a canale P è pilotato da un semplice circuito di amplificazione a transistor NPN, che migliora il processo di conduzione del MOSFET e riduce la potenza consumata dal circuito di pilotaggio.

Se il MOSFET è pilotato direttamente dal circuito, la rapida accensione e spegnimento del MOSFET può causare oscillazioni nella tensione drain-source. Ciò può portare a interferenza a radiofrequenza (RFI) e, in alcuni casi, esporre il MOSFET a tensioni eccessivamente elevate, con conseguenti guasti e danni.

Per risolvere questo problema, un resistore non induttivo viene inserito in serie tra il gate del MOSFET pilotato e l'uscita del circuito di pilotaggio. Quando il segnale PWM è a livello alto, il transistor VQ1 conduce, portando la tensione di gate del MOSFET al di sotto della tensione di source. Di conseguenza, il MOSFET si accende e il LED si accende. Viceversa, quando il segnale PWM è a livello basso, VQ1 viene interrotto, il MOSFET si spegne e il LED si spegne.

3. Soluzioni IC per driver LED

I circuiti integrati driver per retroilluminazione a LED sono utilizzati principalmente nei display LCD (televisori, laptop, telefoni cellulari, schermi per auto, ecc.) per fornire una corrente o una tensione costante ai moduli LED. Il loro scopo è garantire una luminosità uniforme, un'elevata efficienza e una lunga durata. Le topologie di driver più comuni includono: driver boost (step-up), buck (step-down), buck-boost e driver a corrente costante multicanaleDi seguito sono riportate alcune categorie rappresentative di circuiti integrati per driver di retroilluminazione a LED:

(1). Texas Instruments (TI)

• TPS61169: Driver boost a corrente costante a canale singolo, adatto per LCD di piccole dimensioni (ad esempio, telefoni cellulari).
• LP8556: Supporta il controllo I²C, l'uscita multicanale (fino a 6 canali) e la regolazione PWM/analogica. Ampiamente utilizzato nei display di laptop e automobili.

(2). ON Semiconductor (ora onsemi)

• NCP3170 / NCP3170B: Driver buck ad alta efficienza, adatti per schermi di piccole e medie dimensioni.
• NCV7685: Driver a corrente costante a 16 canali, spesso utilizzato nella retroilluminazione e nei cruscotti delle automobili, caratterizzato da elevata affidabilità e funzioni diagnostiche.

(3). STMicroelectronics (ST)

• STLED524: Driver per retroilluminazione LED multicanale con interfaccia I²C.
• L5973D: Convertitore DC-DC Boost per sistemi di retroilluminazione a LED di media potenza.

(4). Elettronica Renesas

• ISO98611: Integra uscite boost e pompa di carica positiva/negativa, progettate per l'alimentazione di smartphone e per la gestione della retroilluminazione.
• ISO97900: Driver per retroilluminazione LED multicanale con adattamento di corrente ad alta precisione.

(5). Produttori cinesi

• Macroblock (serie MBI): ad esempio, MBI5030, focalizzato su driver per display di grandi dimensioni e retroilluminazione, ampiamente utilizzato in TV e pannelli pubblicitari.
• Salomone Systech: Ha rilasciato soluzioni di driver per retroilluminazione a LED per telefoni cellulari e display di piccole e medie dimensioni.

6. Sintesi

• Schermi di piccole dimensioni (telefoni, tablet): serie TI TPS/LP, serie Renesas ISL.
• Schermi di medie e grandi dimensioni (laptop, monitor, TV): Driver multicanale a corrente costante come TI LP8556, ST STLED524, Macroblock serie MBI.
• Applicazioni automobilistiche e industriali: Richiedono affidabilità e controllo multicanale, in genere utilizzando la serie NCV semi.

4. Tabella comparativa dei circuiti integrati driver per retroilluminazione a LED

5. Confronto dei parametri chiave dei circuiti integrati driver per retroilluminazione a LED

Punti chiave di confronto

1.      Numero di canali

o   Schermi piccoli → Canale singolo (ad esempio, TPS61169)

o   Schermi medi / Automotive → 6 canali (ad esempio, LP8556, STLED524)

o   Grandi schermi / Televisori → 16 canali o più (ad esempio, NCV7685, MBI5030)

2.      Metodo Guidare

o   Boost (aumento di potenza) → Comune negli smartphone e nei tablet, utilizzato per aumentare le basse tensioni di alimentazione a livelli più alti per pilotare più LED in serie.

o   Buck (passo indietro) → Più adatto per fonti di alimentazione ad alta tensione che alimentano un minor numero di LED.

o   Corrente costante multicanale → Garantisce uniformità di luminosità, ideale per la retroilluminazione di schermi di grandi dimensioni.

3.      Interfaccia di controllo

o   %PWM → Semplice, ampiamente utilizzato nei dispositivi mobili.

o   I²C → Più flessibile, consente curve di corrente, tensione e dimmerazione regolabili.

o   SPI → Alta velocità e multicanale, ideale per TV e display pubblicitari.

6. Scenari applicativi consigliati per i circuiti integrati driver per retroilluminazione a LED

• Schermi di piccole dimensioni (smartphone / tablet) → Driver boost a canale singolo, ad esempio, TI TPS61169, Renesas ISL98611
• Schermi di medie dimensioni (display per laptop/automobili) → Driver a corrente costante multicanale a 6 canali, ad esempio, TI LP8556, ST STLED524, Renesas ISL97900
• Schermi di grandi dimensioni (monitor/TV) → Driver a corrente costante a 16 canali o più, ad esempio, Macroblocco MBI5030
• Scenari speciali (display automobilistici/pubblicitari) → Driver multicanale ad alta affidabilità, ad esempio, onsemi NCV7685, Serie Macroblock MBI