La evolución de convertidores LLC proporciona nuevas capacidades a los diseños de alumbrado público por LED
Durante los últimos años ha ido surgiendo rápidamente un impulso a la nueva generación de tecnología de alumbrado público LED. Prometiendo una vida útil mucho más larga y de mayor eficiencia energética que las tecnologías existentes, los LEDs están hechos a medida para las aplicaciones de alumbrado público de difícil acceso, donde sus reducidos costes de funcionamiento y mantenimiento ofrecen dividendos atractivos.
La fiabilidad es una preocupación clave en el diseño de alumbrado público - no sólo en la luminaria LED, sino también en la fuente de alimentación. Las luces de la calle deben mantenerse funcionando en ambientes a menudo hostiles, incluyendo rápidos cambios de temperatura, de humedad y de condiciones del viento, durante los cambios de estación, y desde el día a la noche. Las fuentes de alimentación típicas diseñadas para LEDs de potencia en aplicaciones de iluminación pública, deben ser capaces de soportar el funcionamiento a través de un amplio intervalo de temperaturas, desde -40°C a 50°C.
Dado que el controlador LED requiere de una fuente constante de corriente continua, se necesita una conversión AC-DC cuando los LEDs están alimentados por la red AC. Las primeras implementaciones de diseños de LEDs para alumbrado público, disponían de fuentes de alimentación con una entrada AC conectada a un convertidor estándar de alta tensión DC-DC y usando un circuito de corriente de equilibrio para controlar múltiples LEDs ya sea en paralelo o en serie. Aunque los requisitos de alimentación varían dependiendo del brillo de los LED y el número utilizado en cada luminaria, generalmente, las fuentes de alimentación para estas aplicaciones deben cumplir con las regulaciones energéticas existentes, ofrecer un factor de potencia superior a 0,9, y contar con salida de corriente constante, protección contra sobretensiones y ondulación baja. La mayoría de los diseños requieren más de un 85% de eficiencia energética.
Desde la perspectiva del sistema
Inicialmente, los diseñadores confiaban en gran medida en topologías flyback para satisfacer las necesidades de las aplicaciones de iluminación pública LED. Disponible en una amplia variedad de proveedores, los probados convertidores flyback ofrecían un bajo coste, fácil diseño y una rápida solución de salida al mercado, en comparación con otras alternativas más complejas LLC. Pero a medida que los organismos reguladores en todo el mundo se han centrado cada vez más en reducir el desperdicio de energía, han surgido nuevas regulaciones que demandan no sólo más eficiencia a plena carga, sino también en el modo standby y con diversos porcentajes de carga nominal. Usando técnicas de conmutación de voltaje cero para reducir las pérdidas de conmutación, los convertidores LLC ofrecen a los diseñadores una oportunidad de maximizar la eficiencia en toda la gama de carga completa.
Algunos de los nuevos convertidores LLC toman esa ventaja de eficiencia inherente y la llevan un paso más allá mediante la combinación de un controlador LLC, controladores de baja y alta, y dos MOSFET half-bridge en un solo encapsulado. Estas soluciones altamente integradas ofrecen una serie de ventajas. Las soluciones LLC utilizando controladores discretos y MOSFETs fuerzan a los diseñadores a programar el tiempo muerto de forma conservadora para los peores escenarios posibles para evitar el disparo. El diseñador debe solapar el tiempo de apagado de cada MOSFET para asegurar que no se encienden al mismo tiempo y crean un bucle corto conductor. Sin embargo, cuanto más largo es el tiempo muerto, menor es la eficiencia del convertidor. Al integrar el controlador, los drivers y MOSFETs en un solo circuito en el que todos los elementos que afectan al retardo de conmutación coinciden, los convertidores LLC ofrecen un control más preciso del tiempo encendido y apagado de ambos MOSFETs. Esto permite al diseñador programar un tiempo muerto más corto y ajustado, permitiendo al controlador optimizar el funcionamiento para la eficiencia máxima en un rango de frecuencia especificado.
Soluciones altamente integradas como estas, también aportan grandes avances en fiabilidad. Para garantizar un funcionamiento continuo de alimentación en todas las condiciones medioambientales, la mayoría de los convertidores LLC actuales cuentan con una amplia gama de funciones para la detección y compensación de fallos. Estos incluyen umbrales brown-in/out e histéresis, protección de subtensión y sobretensión, protección contra sobrecorriente programable, incluida la protección contra cortocircuitos y protección contra exceso de temperatura. Algunos de los controladores integrados LLC disponibles ahora, también permiten a los diseñadores reemplazar los condensadores electrolíticos voluminosos y menos fiables con condensadores cerámicos SMD más fiables en el circuito de salida. Además, mediante la integración de funciones críticas en un solo circuito integrado, pueden ser recortados durante la fabricación para optimizar el emparejamiento entre los MOSFET y los controladores, y garantizar un rendimiento más fiable y eficiente.
Por supuesto, los desarrolladores de alumbrado público LED necesitan fuentes de alimentación que no sólo sean eficientes y fiables, sino también con un coste competitivo. Las últimas soluciones LLC ayudan a bajar los múltiples costes de diferentes maneras. Al operar a una alta frecuencia de conmutación, los convertidores LLC de vanguardia, permiten a los diseñadores utilizar transformadores más pequeños, inductores de salida más pequeños y condensadores de salida de filtro más pequeños. Además, en los diseños a 250 KHZ, los diseñadores incluso pueden eliminar el uso de condensadores electrolíticos menos duraderos. Estas ventajas, a su vez, se traducen en una lista de materiales con costes significativamente más bajos. Mediante la integración de más funciones en la fuente, el coste se reduce aún más por la disminución del número de componentes externos, minimizando los requisitos de diseño de la PCB,
simplificando el montaje y reduciendo el tiempo de desarrollo. A modo de ejemplo, la familia HiperLCS anunciada recientemente por Power Integrations puede eliminar hasta 30 componentes externos. Este alto nivel de integración no sólo reduce costes, sino que también mejora la fiabilidad mediante la simplificación del diseño y la eliminación de los posibles puntos de fallo.
Conclusión
Mientras que la tecnología LED se vuelve cada vez más común en las aplicaciones de alumbrado público, podemos esperar que los diseñadores continúen agregando nuevas funciones innovadoras. Las futuras soluciones de alumbrado público, por ejemplo, es probable que introduzcan algún tipo de inteligencia, donde un sensor controle automáticamente el brillo de la luz para aumentar la iluminación en los días oscuros y lluviosos, o disminuir la iluminación en las noches de luna brillante. Al mismo tiempo, los diseños probablemente serán cada vez más modulares para ayudar a los desarrolladores a reducir los costes y simplificar el mantenimiento. En cada caso, los nuevos avances en el diseño de fuentes de alimentación, prometen desempeñar un papel clave en la continua evolución de la funcionalidad del alumbrado público LED.
Auitor:
Chris Lee, Senior Product Marketing Manager de Power Integrations, Inc.
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