Comment effectuer une gradation LED sans compromettre la qualité d'éclairage

Les consommateurs deviennent plus sélectifs sur le choix de produits au fur et à mesure que la transition de l'éclairage traditionnel vers les diodes électroluminescentes (LED) s'accélère et qu'une gamme plus étendue de solutions arrive sur le marché. La gradation linéaire avec un rapport de contraste important et sans variation de chromaticité ni scintillement perceptible est en particulier considérée comme le symbole d'un produit de qualité.

Pour les concepteurs, la gradation LED sans atténuer la qualité d'éclairage n'est pas une tâche aisée, contrairement aux éclairages traditionnels fluorescents et à incandescence. Une gradation analogique est possible, mais peut résulter en un changement notable de la chromaticité et de la température de l'éclairage émis.

Une technique établie consiste à effectuer la gradation LED à l'aide de la modulation de la largeur d'impulsion (PWM) du courant direct de la LED. L'hypothèse de base est que durant le cycle d'activation du train PWM, la LED fonctionne dans des conditions optimales de tension directe ou de courant direct. Ainsi, la qualité de l'éclairage est élevée et la luminosité perçue est linéairement proportionnelle au rapport cyclique du train PWM.

Le défi pour le concepteur consiste à concevoir un circuit PWM qui fonctionne en harmonie avec les convertisseurs de tension à découpage modulaires, généralement utilisés comme alimentations ou circuits d'attaque LED. Sans cette approche complémentaire, il devient trop facile d'introduire des problèmes comme les interférences électromagnétiques (EMI), le rapport de contraste limité (luminosité maximale/luminosité minimale) et le scintillement perceptible (lié aux effets néfastes pour la santé).

Cet article traite de la conception de circuits de gradation LED PWM, basée sur un certain nombre de circuits d'attaque LED contemporains, et met l'accent sur les étapes de conception nécessaires pour développer une solution qui ne sacrifie pas la qualité d'éclairage.

Inconvénients de la gradation analogique

Les LED requièrent une alimentation à tension constante et à courant constant pour maintenir un fonctionnement efficace avec une excellente qualité d'éclairage. (La qualité d'éclairage est devenue un atout clé pour les produits, que les principaux fournisseurs ont du mal à promouvoir pour leurs produits finaux. Voir l'article « Manufacturers Shift Attention to Light Quality to Further LED Market Share Gains » de la bibliothèque d'articles.)

Le choix du point de fonctionnement est plus ou moins flexible en fonction des spécifications du produit final. Par exemple, le flux lumineux de la LED est proportionnel au courant direct, ce qui permet au concepteur de choisir d'alimenter la LED avec un courant direct plus élevé afin d'amplifier la luminosité et réduire ainsi le nombre de LED requises pour une spécification de conception donnée. (Voir l'article « Lighting Design for Optimum Luminosity » dans la bibliothèque d'articles.)

La Figure 1 illustre le courant direct par rapport à la caractéristique de luminosité d'une LED blanche Duris S5E d'OSRAM Opto Semiconductor. Le dispositif OSRAM s'appuie sur une technologie éprouvée et est particulièrement apprécié pour les applications d'éclairage grand public. La LED produit 118 lm à 6,35 V/15 mA et présente un rendement revendiqué de 123 lm/W au point de fonctionnement. Par exemple, une réduction du courant direct à 100 mA atténue la luminosité de 30 %, par rapport à celui généré à 150 mA.

Figure 1 : La LED blanche Duris S5E d'OSRAM montre une relation pratiquement linéaire entre le courant direct et la luminosité. (Source : OSRAM Opto Semiconductors)

Les consommateurs, qui sont familiers avec la gradation d'éclairage à incandescence, demandent naturellement des capacités similaires pour les solutions de remplacement LED. La plus importante de ces capacités est la gradation à résolution fine à travers une plage étendue de luminosités. Une manière apparemment simplifiée permettant de satisfaire cette demande serait de concevoir un circuit de gradation analogique qui (au moyen du circuit d'attaque ou de l'alimentation LED) réduit la tension directe ou le courant direct alimentant la LED.

Malheureusement, une gradation analogique présente des inconvénients non négligeables. Il s'agit notamment de l'impact sur le rendement (sortie (en lm)/puissance d'entrée (W)), d'un rapport de contraste limité en raison d'un seuil minimum de courant direct, de la plus grande complexité de conception pour une commande précise du courant de sortie d'un circuit d'attaque LED typique sur une plage étendue et, le plus important, des variations de la température de couleur proximale de la LED lorsque le courant direct ou la tension directe change.

La température de couleur proximale détermine la chaleur apparente de la LED et constitue une mesure clé de la qualité de l'éclairage. La réduction du courant direct ou de la tension directe a un effet subtil sur la longueur d'onde de la lumière émise par la LED bleue au cœur de la plupart des produits à LED blanche de nos jours. Les LED modernes à haute luminosité pour des applications d'éclairage associent une LED bleue avec un phosphore grenat d'yttrium aluminium (GYA). Une partie des photons bleus de la LED s'échappent directement du dispositif, tandis que la plupart sont associés avec le phosphore pour donner (essentiellement) des émissions jaunes. L'association de lumière bleue et jaune est une bonne approximation de la lumière blanche.

Le fabricant de la LED apporte ensuite des modifications subtiles au phosphore pour faire passer la « température » de la lumière blanche des teintes froides (bleuâtres) à des nuances chaudes (jaune), ce qui permet au fabricant de proposer un choix de couleurs convenant aux goûts de chacun. De manière quantitative, la température de couleur proximale définit la température de l'éclairage LED. (Voir l'article « Defining the Color Characteristics of White LEDs » dans la bibliothèque d'articles.)

Les fabricants indiquent une température de couleur proximale de LED à un point de fonctionnement de courant direct/tension directe. Les concepteurs choisissent un ensemble de LED à partir d'un tri particulier de température de couleur proximale avec la certitude que tous les produits sélectionnés à partir de ce tri vont émettre une température de couleur proximale pratiquement identique. Même si les principaux fabricants incluent généralement les informations sur la variation de la température de couleur proximale par rapport à la tension directe ou au courant direct, ils ne garantissent pas les performances d'un produit spécifique à des points de fonctionnement au-delà des paramètres recommandés. En particulier, le fabricant de LED n'offre aucune garantie sur les dispositifs provenant du même tri et produisant la même température de couleur proximale à un point différent du point de fonctionnement recommandé. La Figure 2 illustre la variation des coordonnées de chromaticité d'une LED OSRAM (qui déterminent la température de couleur proximale correspondante) avec le courant direct.

Figure 2 : La chromaticité et la température de couleur proximale d'une LED changent avec le courant direct. Avec une plage étendue de courants directs, ces changements peuvent être perceptibles par l'œil. (Source : OSRAM)

Pire encore, même si l'œil ne parvient pas à détecter correctement les changements de couleur subtils (par exemple, les différences de longueur d'onde de photons émis par une LED rouge, vert ou bleu pur peuvent changer de manière significative avant d'être repérées), il est très sensible aux modifications de la température de couleur proximale. Ainsi, il est parfaitement possible qu'un consommateur remarque que deux éclairages alimentés par des LED provenant du même tri varient considérablement de couleur sous un degré identique de gradation analogique. (Pour obtenir des explications techniques détaillées sur ce sujet, voir l'article, « Digital Dimming Solves LED Color Dilemma » dans la bibliothèque d'articles.)

Faire face aux défis liés à la température de couleur proximale avec la gradation PWM

Ces dernières années, PWM a été adopté comme étant la technique de gradation préférée pour un éclairage LED de haute qualité. Durant le cycle d'activation du train PWM, la LED est alimentée au point de fonctionnement de tension directe/de courant direct recommandé, ce qui permet de garantir que la température de couleur proximale se trouve dans les paramètres de la fiche technique. Le rapport cyclique (rapport de la durée d'impulsion (t_P) à la période de signal (T)) du train PWM détermine ensuite le courant moyen et, de ce fait, la luminosité perçue.

La Figure 3 illustre trois trains d'impulsion différents, tous fonctionnant à un courant direct constant. L'exemple du haut illustre un éclairage de niveau intermédiaire, celui du centre présente une gradation plus élevée et celui du bas est plus lumineux. La Figure 4 illustre la caractéristique linéaire entre le rapport cyclique et la tension directe.

Figure 3 : La variation du rapport cyclique du train d'impulsions PWM modifie le courant direct moyen de la LED et, de ce fait, la luminosité (du haut vers le bas : luminosité moyenne, faible et élevée) tout en maintenant le courant de fonctionnement indiqué durant la phase d'activation. (Source : OSRAM) 

Figure 4 : Le rapport cyclique est linéairement associé à la luminosité de la LED. (Source : OSRAM)

Les circuits d'attaque LED modernes des principaux fournisseurs sont généralement conçus en prenant en compte la gradation PWM. De nombreuses puces intègrent une broche PWM ou DIM permettant une entrée directe à partir d'un générateur PWM pour déterminer le cycle d'activation et d'arrêt du circuit d'attaque. Cependant, il est toujours avantageux de bien choisir le circuit d'attaque LED, car il existe des facteurs clés qui caractérisent une excellente conception de gradation numérique LED d'une autre de mauvaise qualité.

Un facteur clé qu'il faut prendre en compte est la fréquence du train PWM (ou f_DIM). La valeur minimale de f_DIM est déterminée par la sensibilité de l'œil au scintillement. De récentes directives sur la conception d'éclairage recommandent une valeur f_DIM plus élevée que 80 à 100 Hz si aucun effet à long terme sur la santé n'est à prévoir. (Voir l'article « How New Flicker Recommendations Will Influence LED Lighting Design » dans la bibliothèque d'articles.)

Cependant, le concepteur doit faire face à un compromis, puisque plus la fréquence est élevée, plus l'impact sur le rapport de contraste est important. En effet, même le meilleur circuit d'attaque LED prend un temps limité pour répondre à une entrée PWM. La Figure 5 illustre où ces délais ont lieu.

Figure 5 : Un circuit d'attaque LED tarde à répondre à un signal PWM de gradation. Ces retards déterminent le rapport de contraste maximum du système de gradation. (Source : Texas Instruments)

Dans la Figure 5, t_D représente le délai de propagation à partir du moment où le signal PWM (V_DIM) augmente jusqu'au moment où le courant direct alimentant la LED répond. (t_SU et t_SD représentent respectivement la durée d'activation de balayage et la durée d'arrêt de balayage.) La vitesse de balayage limite les rapports cycliques minimum et maximum (D_MIN et D_MAX) et, à leur tour, le rapport de contraste.

Généralement, la réduction de f_DIM facilite l'obtention d'un rapport de contraste plus élevé, puisqu'un circuit d'attaque LED avec une vitesse de balayage fixe a largement le temps d'atteindre la tension directe ou le courant direct nécessaire et de baisser ensuite jusqu'à zéro, même pour les rapports cycliques bas, car T est relativement long.

(Notez qu'indépendamment du choix de la fréquence de gradation PWM, il est vivement recommandé de sélectionner un circuit d'attaque LED avec un balayage limité. En effet, le temps passant de commutation d'une LED est tel qu'elle peut s'allumer « tôt » lors du front montant du signal PWM (et donc à un courant direct ou une tension directe en dehors des spécifications indiquées), ce qui expose le consommateur aux mêmes variations de température de couleur proximale qui nuisent à la gradation analogique.)

Généralement, le rapport cyclique (CR) est exprimé comme l'inverse du temps d'activation minimum :

Les régulateurs de tension à découpage standard à usage général ne sont pas conçus pour des activations et de désactivations répétées. Les fabricants portent ainsi peu d'attention au balayage. Dans de nombreux cas, les régulateurs en question intègrent même des modes appelés « démarrage progressif » et « arrêt progressif » (pour éviter les pointes de tension) afin d'étendre le balayage. En revanche, les circuits d'attaque LED pour les applications de gradation sont conçus avec des temps de balayage courts.

Les circuits d'attaque LED basés sur des régulateurs à découpage abaisseurs présentent les temps de balayage les plus courts pour deux raisons particulières. Premièrement, le régulateur abaisseur alimente la sortie lorsque le commutateur de contrôle est activé, ce qui rend les boucles de contrôle plus rapides que les topologies de type élévateur ou abaisseur/élévateur. Deuxièmement, le régulateur abaisseur est relié à la sortie durant le cycle de commutation entier, ce qui garantit une sortie de courant continu et permet d'éliminer un condensateur de sortie. Cette élimination permet un balayage très rapide du courant ou de la tension de sortie du circuit d'attaque.^[1] Un choix judicieux de régulateur abaisseur permet d'avoir des fréquences de gradation PWM dans la plage kHz qui, bien que sans intérêt pour les éclairages grand public, peut s'avérer utile pour des applications comme des stroboscopies haute vitesse pour des tâches de reconnaissance d'image industrielle.

Conception d'alimentations LED de gradation PWM

Trois approches permettent de concevoir une alimentation LED avec gradation PWM : développer un circuit à partir de zéro à l'aide de composants discrets, combiner un circuit d'attaque LED abaisseur équipé d'une entrée PWM à un circuit PWM ou remplacer le circuit PWM par un générateur PWM dédié.

La première approche n'est pas conçue pour les novices, mais peut être la voie à suivre si le budget et l'espace disponibles sont limités. Nous allons toutefois jeter un œil sur les deux autres approches basées sur certains des nombreux dispositifs de gestion de l'alimentation intégrés, modulaires et reconnus, provenant de plusieurs fournisseurs majeurs.

Texas Instruments offre une solution de gradation PWM simple et relativement bon marché qui intègre les fonctions de contrôle d'un circuit d'attaque LED, mais permet au concepteur un choix flexible du transistor MOSFET externe utilisé pour actionner la LED. Le LM3421 est un contrôleur MOSFET à canal N haute tension pour une alimentation LED. Pour configurer la puce, il est possible d'appliquer des topologies de convertisseur SEPIC de type abaisseur-élévateur, abaisseur ou élévateur.

Dans le présent contexte, le LM3421 intègre une broche nDIM pouvant servir pour la gradation. TI suggère deux approches pour la gradation, la première utilise un train d'impulsions inversé via une diode Schottky (D_DIM) et la deuxième utilisant un signal PWM standard appliqué au moyen d'un MOSFET de gradation (Q_DIM). La deuxième approche est utile si l'application exige une fréquence PWM élevée avec un excellent rapport de contraste, car cela accélère la vitesse de balayage du contrôleur du circuit d'attaque LED. La Figure 6 illustre les options de gradation PWM du LM3421.

Figure 6 : TI suggère deux techniques de gradation PWM à utiliser pour son contrôleur de circuit d'attaque LED LM3421, en utilisant une diode Schottky ou un MOSFET pour des applications qui nécessitent des fréquences PWM plus élevées.

Pour sa part, Maxim Integrated a récemment présenté un circuit d'attaque LED avec une capacité de gradation qui ne nécessite aucun composant externe, mis à part le générateur de signal PWM. Le MAX16819 est un circuit d'attaque LED abaisseur fonctionnant sur une plage de tensions de 4,5 V à 28 V, et il est muni d'un régulateur intégré de 5 V/10 mA. De la même manière que pour le dispositif TI décrit ci-dessus, la sortie DRV de la puce est conçue pour alimenter un MOSFET externe, qui est connecté aux LED et permet de réduire le balayage.

Une fonctionnalité à ne pas négliger de la puce est son algorithme de contrôle par hystérésis qui, selon la société, garantit une réponse rapide durant une gradation PWM et permet une fréquence PWM atteignant 20 kHz pour des applications qui requièrent une telle vitesse. Le dispositif présente une fréquence de commutation pouvant atteindre 2 MHz, ce qui permet au concepteur de sélectionner des composants externes compacts. La Figure 7 illustre la rapidité de réponse du courant direct alimentant la LED aux variations de tension de gradation.

Figure 7 : Le MAX16819 de Maxim Integrated utilise un algorithme de commande par hystérésis qui accélère la réponse aux entrées de gradation PWM. La figure illustre la réponse du système à un rapport cyclique de 50 %, avec un courant LED de 400 mA.

Pour une solution haut de gamme (mais évidemment plus onéreuse), Linear Technology propose le générateur PWM LED à 48 canaux LT8500. La puce est compatible avec l'un des trois circuits LED abaisseurs à 16 canaux LT3595 de la société pour une solution d'éclairage à gradation PWM pouvant alimenter jusqu'à 480 LED à des courants atteignant 50 mA.

Le LT3595A est un circuit d'attaque LED abaisseur conçu pour alimenter 16 canaux indépendants de j[link:lm3421] usqu'à 10 LED chacun. La puce intègre des commutateurs, des diodes Schottky et des composants de compensation pour réduire l'empreinte du circuit et le coût des composants. Elle s'exécute à partir d'une entrée de 4,5 V à 45 V et fonctionne à une fréquence de commutation de 2 MHz (permettant l'utilisation de condensateurs et d'inductances de taille compacte).

La gradation est contrôlée pour chaque canal en appliquant une entrée PWM aux 16 broches PWM individuelles. Le dispositif présente des rapports de démarrage et d'arrêt de balayage rapides pour un rapport de contraste maximum de 5000:1.

Le générateur PWM LED LT8500 fonctionne avec des entrées de 3 V à 5,5 V et présente 48 canaux indépendants, ce qui permet de l'utiliser pour contrôler directement trois des circuits d'attaque LED. Chaque canal intègre un registre PWM qu'il est possible de régler individuellement.

Le LT8500 permet de régler la luminosité de chaque canal de façon indépendante. Les registres PWM 12 bits, programmables à l'aide d'une simple interface de données série, permettent 4095 étapes de luminosité différentes de 0 à 99,98 % de sortie LED maximale. La Figure 8 démontre la configuration possible du LT8500 pour commander les trois circuits d'attaque LED abaisseurs LT3595A. Notez que la résistance R_SET définit le courant LED pour l'ensemble des 16 canaux du circuit d'attaque LED respectif.

Figure 8 : Le LT8500 de Linear Technology peut fournir l'entrée de gradation PWM pour trois circuits d'attaque LED abaisseurs LT3595. À leur tour, chaque circuit d'attaque peut alimenter jusqu'à 160 LED. (Schéma utilisant Scheme-it de DigiKey, basé sur l'image d'origine avec l'autorisation de Linear Technology.)