Paeper comunicaciones
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL, FACULTAD REGIONAL CÓRDOBA – ARGENTINA Driver para led de potencia utilizando la compensación buck Exequiel Moro Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Córdoba [email protected] Resumen – El driver para led de potencia es un circuito que tiene que ser capaz de entregar a la carga una corriente constante. Por medio de la compensación buck se logra una corriente estable que puede ser regulada modificando el ciclo de trabajo. Se utiliza una resistencia en el circuito de salida para obtener una referencia de las variaciones de tensión y de esta forma ajustar la frecuencia para mantener la corriente constante. Abstract – NOMENCLATURA I L Corriente en la inductancia L Inductancia R sense Resistencia de sensado D f Diodo conmutador Q Llave que conmuta en corte- saturación V OUT Diferencia de potencial en la carga V IN Tensión de entrada Q G Carga en el gate f sw Frecuencia de conmutación I. INTRODUCCIÓN LA principal causa por la que un led disminuye su vida útil o rendimiento es por problemas con la temperatura. Estos son producidos por un montaje inadecuado del chipled o un control de la corriente ineficiente. Un driver de corriente, para considerarse eficiente debe tener un alto rendimiento y la capacidad de mantener una corriente estable de salida independientemente de la carga. Es importante tener en cuenta estos últimos conceptos ya que son el fundamento por el que se aborda el análisis de un circuito utilizando la compensación buck y un bucle de realimentación. II. ANÁLISIS DE LA COMPENSACIÓN BUCK El convertidor buck funciona en modo continuo o CCM, de forma que toda la energía se transfiere a la carga, sin llegar a que la corriente se anule durante el ciclo de conmutación. Un diagrama típico de este circuito se muestra en la Fig. 1. Fig. 1. Convertidor buck En el circuito se observa el elemento semiconductor conmutador definido como Q, el elemento almacenador de energía L y el diodo D f , Siendo estos los elementos principales del convertidor y deben estar predispuesto como se muestra. Se analizaran dos etapas distintas, la primera denominada ton siendo esta cuando el mosfet esta conduciendo, y la segunda toff, correspondiente al momento en que el transistor mosfet no esta en conducción. De la simulación proveniente del circuito de la Fig. 1 se obtiene la forma de onda de la corriente en el circuito de carga graficada en la Fig 2 y de la tensión en el gate Fig. 3 1DPTO. ELECTRÓNICA – CÁTEDRA ELECTRÓNICA DE POTENCIA – 9541-0010/14 Fig 1
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL, FACULTAD REGIONAL CÓRDOBA – ARGENTINA
Driver para led de potencia utilizando la compensación buck
Exequiel Moro
Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Có[email protected]
Resumen – El driver para led de potencia es un circuito que tiene que ser capaz de entregar a la carga una corriente constante. Por medio de la compensación buck se logra una corriente estable que puede ser regulada modificando el ciclo de trabajo. Se utiliza una resistencia en el circuito de salida para obtener una referencia de las variaciones de tensión y de esta forma ajustar la frecuencia para mantener la corriente constante.
Abstract –
NOMENCLATURA
IL Corriente en la inductanciaL InductanciaRsense Resistencia de sensadoDf Diodo conmutadorQ Llave que conmuta en corte-saturaciónVOUT Diferencia de potencial en la cargaVIN Tensión de entradaQG Carga en el gate
f sw Frecuencia de conmutación
I. INTRODUCCIÓN
LA principal causa por la que un led disminuye su vida útil o rendimiento es por problemas con la temperatura. Estos son producidos por un montaje inadecuado del chipled o un control de la corriente ineficiente. Un driver de corriente, para considerarse eficiente debe tener un alto rendimiento y la capacidad de mantener una corriente estable de salida independientemente de la carga. Es importante tener en cuenta estos últimos conceptos ya que son el fundamento por el que se aborda el análisis de un circuito utilizando la compensación buck y un bucle de realimentación.
II. ANÁLISIS DE LA COMPENSACIÓN BUCK
El convertidor buck funciona en modo continuo o CCM, de forma que toda la energía se transfiere a la carga, sin llegar a que la corriente se anule durante el ciclo de conmutación. Un diagrama típico de este circuito se muestra en la Fig. 1.
Fig. 1. Convertidor buck
En el circuito se observa el elemento semiconductor conmutador definido como Q, el elemento almacenador de energía L y el diodo Df, Siendo estos los elementos principales del convertidor y deben estar predispuesto como se muestra.Se analizaran dos etapas distintas, la primera denominada ton
siendo esta cuando el mosfet esta conduciendo, y la segunda toff, correspondiente al momento en que el transistor mosfet no esta en conducción. De la simulación proveniente del circuito de la Fig. 1 se obtiene la forma de onda de la corriente en el circuito de carga graficada en la Fig 2 y de la tensión en el gate Fig. 3
Time
0s 5us 10us 15us 20us 25us 30us 35us 40us 45us 50usI(R1)
0A
2.0mA
4.0mA
6.0mA
8.0mA
10.0mA
11.2mA
Fig. 2. Corriente en el circuito de carga
Time
0s 5us 10us 15us 20us 25us 30us 35us 40us 45us 50usV(R1:2) VG(M1)
0V
2V
4V
6V
8V
10V
Fig. 3. Tension en el gate
Etapa 1. t on
Cuando se satura el transistor Q hasta t=ton. El diodo Df se polariza inversamente. La corriente en el inductor L se incrementa en forma de rampa lineal correspondiendo a la fórmula:
V ❑−V out=L∙d iL
dt(1)
Etapa 2. t off
En esta etapa el transistor Q se bloquea y el diodo D se polariza
directamente. El circuito equivalente durante t off < t ≤ T se
muestra en la Fig. 4.
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Fig. 1. Convertidor elevador boost converter
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D f
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D L o a d -1R s e n s e
D L o a d -n
L
1 2
Fig. 4. Circuito equivalente t off
Debido a que la corriente del inductor no puede cambiar en forma instantánea, la tensión en los bornes del inductor se polariza inversamente para mantener la corriente constante. La corriente circula por la inductancia L, el diodo D ahora polarizado directamente y la carga.La corriente en el inductor decrece de acuerdo a la siguiente ecuación:
V out=− L∙d iL
dt (2)
La ec. 1 y ec. 2 justifican la forma de onda obtenida en la simulación y graficada en la Fig. 2
III. AJUSTE AUTOMÁTICO DE LA FRECUENCIA DE CONMUTACIÓN
La compensación buck analizada anteriormente permite ajustar la corriente de carga variando el ciclo de trabajo del mosfet. La desventaja que presenta es que al variar la carga también se modificaría la corriente IL según Ec. 2, por lo que la frecuencia de trabajo debería ajustarse para cada arreglo de led. Por este motivo es necesario un bucle de realimentación capaz de sensar las variaciones de tensión en la malla de salida y ajustar el ciclo de trabajo para mantener una corriente constante en la carga. En la Fig 5 se muestra el diagrama de conexiones del circuito integrado IRS2980S capaz de ajustar la frecuencia de conmutación del mosfet entre valores típicos de 25 KHz a 120 KHZ.
Fig. 5. Circuito equivalente t off [1]
Para sensar la corriente de salida del driver se mide una diferencia de potencial en la resistencia Rsense a travez de las entradas HV y CS. RF y CF solo cumplen la función de filtrar el ruido. Si la tensión en HV cae a 0.45v con respeto CS se alimenta el gate del transistor para desarrollar la etapa 1 explicada anteriormente. Cuando la tensión en HV se eleva a 0.55v con respeto CS la salida OUT se pone en nivel bajo bloqueando el transistor y de esta forma el siclo se repite.La corriente de salida se puede configurar seleccionando el valor apropiado de RCS de acuerdo con la relación:
Iout (avg )= VCSRCS
(3)
Donde VCS es 0,5v por lo tanto, por ejemplo para una RCS de 1.5Ohms, la salida corriente será nominalmente 333mA. En la práctica hay algunos retardos de propagación en el circuito que dan lugar a un error en la corriente regulación y alguna
variación en el voltaje de entrada, sin embargo, el rendimiento es más que adecuado para aplicaciones LED.
IV. TIEMPOS DE CONMUTACIÓN Y FRECUENCIA
En la Fig. 6 se muestran la forma de onda de la corriente a través del arreglo de leds (Iled)en relación con la tensión de excitación del gate del transistor (VG).
V ❑−V out=L∙d iL
dt V out=− L∙
d iL
dt
Fig. 6. Corriente de carga Iled y tensión de gate VG
Los tiempos de encendido y apagado, controlados por el integrado IRS2980S pueden ser modelados por las siguientes ecuaciones.
V
¿ (−V||led )+RF ∙ CF+QG
0.18+ tdr
¿ ton=0.2∙ L∙ I led
❑
(4)
toff =0.2 ∙ L ∙ I led
V led
+RF ∙CF +QG
0.26+ tdf
(5)
f sw=1
ton+t off
(6)
tdr y tdf son retrasos de propagación que varían dependiendo la entrada de voltaje y para este tipo de aplicaciones pueden despreciarse.
V. CONCLUSIONES
Cuando se diseña un equipo de iluminación con tecnología led, la estabilidad y regulación de corriente son un factor muy importante para obtener rendimiento y vida útil. La compensación buck junto con el integrado IRS2980S permiten obtener una corriente constante y estable independiente del arreglo de leds colocados en la malla de salida. Por otra parte la resistencia por medio de la cual se sensa la corriente de carga es del orden de 1,5 ohm, de esta forma se minimizan las perdidas por disipación de energía en un elemento pasivo.
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Iled
t offt on
VG
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BIBLIOGRAFÍA
[1] Datasheet IRS2980S
DATOS BIOGRÁFICOS
Exequiel Moro, Nacido en Córdoba el 21/01/1987. Estudiante de Ingeniería
Electrónica, Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Córdoba, Argentina. Actualmente trabaja en LEDOMANIA desarrollando sistemas de iluminación con tecnología led. Sus intereses son: Desarrollos de sistemas de iluminación alimentados con energías alternativas.
e-mail: [email protected]
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