Avant l'avènement de la technologie LED, les applications d'éclairage étaient principalement définies par le type d'ampoule et l'énergie consommée, mais la LED a supprimé cela. Aujourd'hui, la même technologie de base à semi-conducteurs est utilisée dans les applications d'éclairage de faible, moyenne et haute puissance, avec de meilleurs niveaux d'efficacité et de luminosité. Dans le segment de forte puissance, comme dans les plafonniers pour tubes fluorescents, les lampadaires et l'éclairage public en général, ainsi que d'autres types d'éclairage extérieur, les économies d'énergie potentielles sont énormes. Lorsque vous ajoutez la commodité de la connectivité et de la gradation à l'équation, il est difficile de battre la proposition LED. En raison de son efficacité, l'étage de puissance peut être inférieur à 100 W dans la plupart des applications d'éclairage LED, ce qui est important car il influence directement la topologie des convertisseurs de puissance et des pilotes LED.
Exigences du pilote
La plupart des types d'éclairage, à l'exception des ampoules à incandescence (qui se branchent directement sur une source de courant alternatif), nécessitent une certaine forme de conversion de puissance. L'éclairage LED fonctionne sur une alimentation positive ou redressée, contrairement aux autres technologies d'éclairage qui reposent sur une alimentation CA haute tension/haute fréquence. C'est là que les pertes de puissance et les inefficacités se produisent souvent, mais pour la même luminosité, les LED consomment beaucoup moins d'énergie, elles peuvent donc fonctionner à partir d'une source AC/DC basse tension. Les lumières nécessitant moins de 100 W de puissance utilisent généralement une topologie flyback à un étage. Le passage du courant alternatif au courant continu, ainsi que la fourniture d'une alimentation électrique constante et stable pour minimiser le scintillement, est l'objectif principal de l'adoption de LED à partir d'un éclairage existant. Il n'est pas réaliste de s'attendre à ce que tous les circuits d'éclairage passent en courant continu, au moins à court terme, il est donc nécessaire de développer des étages de conversion et de contrôle pour chaque ampoule, plafonnier ou autre point d'éclairage.
La façon la plus pratique de le faire, du moins pour l'utilisateur, est d'intégrer ces composants dans le point d'éclairage ou, mieux encore, dans l'ampoule elle-même. Pour les applications inférieures à 100W, la topologie la plus couramment utilisée est le convertisseur à un étage (les convertisseurs à plusieurs étages sont généralement nécessaires pour les puissances supérieures à 100W). Un convertisseur à un étage peut couvrir un large éventail d'applications, à commencer par la faible puissance nécessaire pour une seule ampoule ou des luminaires encastrés (downlighters). Dans tous les cas il faut proposer une correction du facteur de puissance (Power Factor Correction, PFC) et une faible distorsion harmonique totale (Total Harmonic Distortion, THD). Ce sont des facteurs qui sont actuellement légiférés par l'administration, mais leurs niveaux peuvent varier selon les régions. Selon la puissance consommée par l'application, PFC et THD sont obligatoires et de nombreux fabricants proposent des solutions de remplacement dans lesquelles, par exemple, les LED remplacent les tubes fluorescents. Cela présente des difficultés en termes d'espace disponible, car toutes les fonctions de conversion AC/DC et de contrôle des LED doivent être intégrées dans un espace normalement occupé uniquement par l'ampoule elle-même.
Options de conversion de puissance
En raison de ces limitations d'espace et des exigences législatives, la topologie préférée pour la conversion de puissance dans la LED est un convertisseur flyback à un étage utilisant la régulation côté primaire (PSR), qui permet moins de composants et de condensateurs plus petits qu'une topologie de régulation dans le secondaire (secondaire). Règlement latéral). Les fabricants de semi-conducteurs proposent déjà une large gamme de dispositifs qui répondent à cette demande. Un avantage du PSR est qu'il ne nécessite pas de rétroaction dans le secondaire, ce qui simplifie la conception du transformateur et ne nécessite pas d'isolation optique. Le type de régulation utilisé est également important pour atteindre les objectifs PFC et THD.
Pour y parvenir, les fabricants ont recours au mode de conduction discontinue (DCM). Dans ce mode, la charge stockée dans le transformateur est complètement épuisée avant que le transistor ne se rallume, de sorte que la tension de la diode de sortie devient nulle. Il en résulte une période pendant laquelle aucun courant ne circule du côté primaire ou secondaire, ce que l'on appelle le temps mort, qui donne à cette topologie flyback son nom de discontinu. Il a l'avantage de ne pas subir de pertes dans la diode et, dans les applications à faible puissance de sortie, il permet au transformateur d'être relativement petit.
Cependant, il subit des courants d'ondulation qui peuvent augmenter les pertes. La commutation de vallée est une extension de DCM qui commute le transistor pour qu'il conduise lorsque l'oscillation de tension de sortie est minimale. Cela se produit pendant les premières oscillations au début du temps mort, et c'est à ce moment qu'il remettra le transistor en marche et redémarrera le cycle de transfert de puissance. Cela nécessite un contrôleur capable de détecter l'oscillation de la tension de sortie et de commuter lorsqu'il détecte qu'il se trouve dans une vallée. Généralement, il est également nécessaire de pouvoir faire varier le temps de commutation en fonction de la demande de puissance de sortie : il commutera plus tôt lorsque la demande est forte, ou plus tard si la demande est faible. Cette fonction est également connue sous le nom de réinjection de tension, et bien que la variation de la fréquence de commutation puisse réduire le niveau EMI, la commutation de vallée peut également augmenter le niveau d'ondulation en raison des temps de commutation variables. Une alternative bien connue au DCM et à la commutation de vallée est le mode quasi-résonnant (QR), également appelé mode de conduction critique (CrM). Dans ce mode, le transistor commute lorsque le contrôleur détecte le début de la première oscillation de la tension de sortie, réduisant ainsi les pertes de commutation et offrant le rendement le plus élevé parmi tous les modes, bien qu'il puisse être très difficile d'obtenir un bon PFC et THD avec QR/ CrM.
Développement d'un driver LED
La famille NCL3038x se compose de convertisseurs buck/boost flyback à un étage qui fonctionnent en mode QR/CrM pour fournir un courant constant et une tension constante à une LED ou à une chaîne de LED. Contrairement aux autres pilotes QR/CrM, cependant, le NCL3038x fournit un PFC exceptionnel de > 0,95 avec un THD très faible < 10 %. Cela dépasse ce qui est requis par les normes mondiales, de sorte que ces appareils conviennent à toutes les régions ayant des exigences législatives concernant le PFC et le THD. La figure 2 montre l'utilisation du NCL30386 (avec gradation) dans un circuit typique. L'appareil fonctionne en fait selon trois modes : lorsque la charge de sortie est supérieure à 80 %, il utilise CrM, tandis qu'avec des charges inférieures à 80 %, il utilise le mode vallée et pour les très petites charges, il peut utiliser la réinjection de fréquence. Cette flexibilité lui permet d'offrir des niveaux élevés d'efficacité et un THD exceptionnel dans toutes les conditions. Le NCL3038x intègre également une fonction de démarrage haute tension (HV) qui assure un temps de démarrage constant et le maintient en marche même avec de très petites charges. La broche HV ajuste les performances de manière dynamique pour atteindre les meilleurs niveaux de PFC, THD et de régulation pendant le fonctionnement.
Éclairage intelligent
La gradation est une caractéristique importante de l'éclairage LED intelligent proposé par de nombreux pilotes LED, tels que le NCL30386. Il est généralement mis en œuvre à l'aide d'un niveau analogique pour régler l'intensité lumineuse ou d'un signal PWM ; le NCL30386 a les deux. Une fonction de gradation basée sur PWM peut générer du bruit électrique et un scintillement sur la sortie en raison de périodes où le signal PWM est à zéro, mais lors de l'utilisation du NCL30386, la sortie est toujours convertie en un niveau analogique, que la gradation soit activée ou désactivée. s'applique comme entrée analogique ou comme signal PWM. Le NCL30386 peut atteindre des niveaux de gradation de 0 % à 100 % avec PWM et de 0,5 % à 100 % avec une entrée analogique. La figure 3 montre les courbes de sortie pour les versions linéaire et quadratique du NCL30386. La forme d'onde de sortie est également importante et sera normalement une courbe linéaire ou quadratique. Le premier offre des intervalles d'éclairage déterministes et réguliers, tandis qu'avec le second le résultat est généralement plus naturel. Le NCL30386 est fourni avec une sortie linéaire et quadratique, et il existe également une version sans gradation appelée NCL30388.
Conclusion
L'éclairage LED entre rapidement dans presque toutes les applications d'éclairage grâce à sa longue durée de vie, son rendement élevé et son efficacité. Cependant, il est livré avec des exigences strictes en matière de PFC et de THD qui peuvent varier d'une région à l'autre. Contrairement aux autres pilotes LED, le NCL3038x utilise le mode QR/CrM pour offrir des avantages tels qu'un PFC élevé, un THD faible et une conception de transformateur plus simple. Étant donné que ces dispositifs fournissent un courant et une tension constants, ils peuvent également « démarrer à froid » et fonctionner comme une alimentation auxiliaire. Avec son THD de classe mondiale et son PFC exceptionnel pour une large gamme de charges, les fabricants peuvent pleinement répondre à ces exigences législatives avec une plate-forme commune unique qui peut être utilisée dans un grand nombre de régions et de marchés.
