Il ruolo critico che rivestono i driver LED nelle applicazioni di illuminazione

Le tradizionali lampadine a incandescenza utilizzano l'elettricità per riscaldare un filamento o un gas, che illuminandosi emette la luce. Un diodo luminescente (LED), invece, è costituito da uno speciale materiale semiconduttore che converte direttamente in luce l'elettricità che lo attraversa, un fenomeno noto come elettroluminescenza.

Ogni materiale LED emette luce in un campo di frequenza ristretto quando viene alimentato con una tensione e una corrente specifiche. Deviazioni da questi valori possono causare la mancata emissione luminosa del LED o una variazione dell'intensità cromatica.

Per controllare l'intensità dei LED i progettisti si affidano solitamente alla riduzione della corrente costante (CCR) o alla modulazione della larghezza di impulso (PWM). Entrambe le tecniche mirano a regolare l'emissione luminosa, ma funzionano in modi fondamentalmente diversi e ciascuno porta con sé una serie di compromessi progettuali:

• La CCR, spesso detta "dimmeraggio analogico", funziona riducendo la corrente che passa al LED. Si tratta di un approccio semplice e silenzioso che non introduce sfarfallio, adatto quindi alle applicazioni di base. Tuttavia, la riduzione della corrente può modificare leggermente il colore di un LED e limitare l'intervallo di dimmeraggio, specialmente a livelli di illuminazione molto bassi.
• La PWM attenua i LED accendendoli e spegnendoli rapidamente mantenendo una corrente costante durante ogni impulso. Questa tecnica preserva l'uniformità cromatica e offre un intervallo di dimmeraggio molto più ampio, spesso sotto l'1%. Ciò lo rende ideale per l'illuminazione regolabile o per i display. Il compromesso è che la PWM può introdurre interferenze elettromagnetiche (EMI) e sfarfallio visibile se la frequenza di commutazione non è sufficientemente elevata. I progettisti devono bilanciare attentamente questi fattori.

La PWM può richiedere driver più complessi e maggiore attenzione al filtraggio EMI, mentre la CCR può risultare insufficiente in applicazioni che richiedono precisione cromatica o dimmeraggio ultrabasso. In alcuni casi, un approccio ibrido che combina CCR e PWM offre il miglior compromesso.

Considerazioni progettuali

I progettisti possono superare i limiti della regolazione CCR o PWM operando scelte progettuali intelligenti. Per la CCR, i progettisti possono selezionare LED con prestazioni cromatiche stabili su un ampio intervallo di corrente e applicare la correzione gamma o curve di dimmeraggio logaritmiche per regolare la risposta di dimmeraggio in modo che corrisponda alla percezione umana delle variazioni di luminosità. Ciò garantisce transizioni più fluide e naturali. Un'attenta selezione dei driver e una corretta gestione termica possono inoltre contribuire a mantenere la stabilità cromatica e prolungare le prestazioni di dimmeraggio senza la necessità di circuiti aggiuntivi.

Per la regolazione PWM, le sfide principali sono lo sfarfallio, le interferenze elettromagnetiche e la complessità di progettazione. Questi problemi possono essere ovviati utilizzando frequenze PWM elevate, in genere superiori a 20 o 25 kHz, per evitare lo sfarfallio visibile e ridurre al minimo le interferenze con i sistemi audio o le telecamere. Le EMI possono essere controllate efficacemente progettando con cura il circuito stampato, utilizzando filtri e selezionando driver LED che offrano caratteristiche quali velocità di segnale regolabili. I driver che incorporano funzionalità PWM semplificano il processo poiché generano i segnali internamente ed eliminano la necessità di una gestione precisa della temporizzazione al di fuori del driver.

La CCR può essere preferibile per applicazioni che richiedono livelli minimi di EMI, come strutture sanitarie, laboratori o ambienti con apparecchiature elettroniche sensibili. Questa opzione offre un dimmeraggio affidabile, fluido e senza sfarfallio in un intervallo limitato. La sua relativa semplicità la rende ideale per l'illuminazione generale di abitazioni, ristoranti e grandi ambienti, in particolare quando la semplicità e il costo sono fattori prioritari.

La PWM è spesso preferita per l'elevata uniformità cromatica e l'ampio intervallo di dimmeraggio, ad esempio per l'illuminazione scenica o in ambienti che richiedono un controllo molto preciso dell'illuminazione. I driver PWM con sorgenti di segnale integrate semplificano ulteriormente la progettazione gestendo internamente la temporizzazione e riducendo la complessità del progetto.

Quando scegliere la soluzione PWM

Le applicazioni che richiedono controllo multicanale, uniformità cromatica e affidabilità in campo automotive traggono molti vantaggi dall'approccio PWM.

Un buon esempio è il driver LED avanzato a 36 canali AL5887Q per il settore automotive di Diodes, Inc., che offre funzionalità dual-mode. Si attenua con una PWM profonda modulando il ciclo di lavoro della corrente costante dal 100% al 3%. Tuttavia, al di sotto del 3%, passa a una modalità di regolazione analogica che produce la stessa funzionalità della CCR attraverso controlli digitali programmabili anziché un classico circuito analogico solo CCR.

Grazie all'oscillatore integrato a 16 MHz, AL5887Q elimina la necessità di un clock esterno, per una progettazione e un layout semplificati della scheda, un ingombro ridotto e una distinta base più economica. Utilizza un registro indirizzabile PWM a 12 bit e un generatore PWM interno a 30 kHz per una migliore miscelazione dei colori e una riduzione del rumore.

I progettisti possono utilizzare questo approccio per:

• Illuminazione di interni ed esterni automotive
• Display di infotainment
• Indicatori luminosi di stato
• Pannelli tattili e retroilluminazione di display LCD

Queste applicazioni richiedono il controllo del colore e dell'intensità dei LED, ossia le funzioni chiave facilitate dal driver AL5887Q (Figura 1).

Figura 1: Il driver LED AL5887Q di Diodes, Inc. semplifica le applicazioni di illuminazione e display nel settore automotive. (Immagine per gentile concessione di Diodes, Inc.)

Controllo del colore di un LED RGB

Il controllo del colore di un LED RGB comporta la regolazione del flusso di corrente verso ciascuno dei tre diversi chip colorati presenti nel contenitore del LED (Figura 2). In altre parole, per produrre un colore giallo brillante, il rosso e il verde vengono portati al massimo specificato, mentre il LED blu viene attenuato o spento. Allo stesso modo, è possibile ottenere un'ampia gamma cromatica controllando l'intensità dei singoli LED.

Figura 2: Per controllare il colore di un LED RGB, l'applicazione deve regolare il flusso di corrente verso ciascuno dei tre chip di colore diverso all'interno del contenitore del LED. (Immagine per gentile concessione di Broadcom)

L'architettura di una tipica applicazione di illuminazione

Un'applicazione di illuminazione può comprendere centinaia di LED e altri componenti, tutti controllati da un programma in esecuzione su un unico minicomputer o microcontroller.

La Figura 3 illustra la piedinatura del dispositivo AL5887Q. Un'applicazione può contenere più driver, ciascuno dei quali può collegarsi a un massimo di 12 LED RGB o fino a 36 LED singoli, con pin dedicati da OUT0 a OUT35.

Figura 3: Piedinatura AL5887Q. Il dispositivo può collegarsi a un massimo di 12 LED RGB o fino a 36 LED singoli, con pin dedicati da OUT0 a OUT35 (Immagine per gentile concessione di Diodes, Inc.)

AL5887Q è un ottimo driver LED per applicazioni di illuminazione

AL5887Q è in grado di combinare e abbinare i canali, alcuni dei quali utilizzati per la miscelazione dei colori e altri per indicatori di stato o simili applicazioni di LED monocromatici. Ogni canale funge da generatore di corrente costante programmabile per garantire luminosità e colore uniformi, un fattore importante per l'illuminazione di negozi, automobili o edifici, dove le variazioni sono facilmente percepibili.

Rilevamento errori

Oltre a miscelare e regolare l'intensità delle luci LED, AL5887Q rileva varie condizioni di errore, come i cortocircuiti, che documenta in un registro interno. AL5887Q avvisa il microcontroller dei problemi rilevati tramite il pin FAULT. Il meccanismo di rilevamento degli errori del driver LED consente all'applicazione in esecuzione sul microcontroller di reagire e fornire la diagnosi per la riparazione.

Applicazione semplificata per gli sviluppatori

AL5887Q elimina parte del carico dal microcontroller che lo controlla, come la mappatura dell'intensità cromatica, semplificando il lavoro dello sviluppatore dell'applicazione. Semplifica il programma in esecuzione sul microcontroller, riduce i tempi di sviluppo e rende il sistema più robusto eliminando le possibili fonti di errore.

Banchi

Alcuni effetti di animazione LED come il lampeggiamento e il "respiro" (simile a una pulsazione lenta) comportano azioni simultanee su molti LED. Anziché identificare separatamente ogni LED per inviare ripetutamente gli stessi comandi, il microcontroller può essere configurato per raggruppare i LED in "banchi". L'intero gruppo può quindi eseguire un unico comando.

Supporto di I²C e SPI

Un'applicazione LED di alto livello con molte periferiche e configurazioni richiede una logica flessibile in grado di rilevare e modificare il comportamento di conseguenza. Potrebbe optare per I²C, che utilizza due fili per individuare e comunicare con decine di periferiche.

D'altro canto, un'applicazione di basso livello con una configurazione fissa e una logica semplice può essere semplificata utilizzando SPI, che utilizza più cavi ma comunica direttamente con periferiche note.

AL5887Q può adattarsi a entrambi i tipi di architetture applicative e può supportare sia il metodo di comunicazione I²C che SPI. Un pin di "selezione interfaccia" (INT_SEL) consente all'applicazione del microcontroller di comandare al circuito del driver quale dei due metodi di comunicazione utilizzare durante l'avvio.

Modalità di risparmio energetico

Quando i LED sono spenti, AL5887Q entra automaticamente in modalità di risparmio energetico, in cui consuma solo 25 µA. Se il microcontroller invia un comando, il dispositivo riprende la modalità normale. Questa funzione può essere disattivata mediante un comando di configurazione.

Conclusione

Grazie a un attributo di controllo PWM a 12 bit, AL5887Q combina precisione e flessibilità, rendendolo una scelta versatile e affidabile per applicazioni di illuminazione LED avanzate. L'ingombro ridotto e le funzionalità integrate riducono la necessità di componenti aggiuntivi, riducendo i costi complessivi e semplificando lo sviluppo.