Auf einen Blick

Ein IC, das als LED-Treiber konzipiert ist und eingesetzt wird, kann in verschiedenen Anwendungen auch als Strombegrenzer genutzt werden. Über die äußere Beschaltung können zwei Betriebsarten gewählt werden. Im Konstantstrom-Modus verhält sich der Baustein wie eine Stromquelle, im Komparator-Modus dagegen wie eine elektronische Sicherung. Verglichen mit Lösungen, die vorwiegend auf Transistoren basieren, die als Linearregler arbeiten, verursacht die Lösung im Konstantstrom-Modus nur geringe Verluste, da sie auf einer getakteten Topologie beruht. Da die für die Messung notwendige Referenzspannung sehr niedrig eingestellt werden kann, lassen sich die Verluste am Messwiderstand auf einem sehr niedrigen Niveau halten. Die Gesamtlösung im Konstantstrom-Modus mitsamt der kompletten Abwärtswandler-Stufe lässt sich auf einer Fläche von nur 10 mm x 20 mm unterbringen. Im Komparator-Modus werden noch weniger Bauelemente benötigt.

Linearregler besitzen beispielsweise eine bei zu starker Erwärmung ansprechende Abschaltung und Abwärtswandler messen den Spannungsabfall an einem Shunt-Widerstand, dem FET oder der Induktivität. Sobald der Ausgangsstrom einen bestimmten Grenzwert übersteigt, wird der Verbraucher für eine gewisse Zeitspanne vom Wandler getrennt oder der Wandler wird in den Strombegrenzungsmodus versetzt. In dieser Betriebsart bleibt der Ausgangsstrom konstant, während die Ausgangsspannung vermindert wird.

Bei einem Aufwärtswandler ist der Ausgang über eine Diode direkt mit dem Eingang verbunden. Dementsprechend steht die Eingangsspannung immer am Ausgang an, auch wenn der Wandler nicht schaltet. Da die Diode nicht abgeschaltet werden kann, ist seitens des Wandlers selbst keine Strombegrenzung möglich. Ein weiteres Problem besteht bei Sperrwandlern mit mehreren isolierten Ausgangswicklungen. Hier kann immer nur eine Spannung geregelt werden, während die anderen, mit demselben Tastverhältnis geschaltet, mitlaufen. Bei einem Kurzschluss am geregelten Ausgang verringert der Wandler das Tastverhältnis, um die Leistungsstufe zu schützen. Damit aber werden zwangsläufig auch die Spannungen aller anderen Ausgänge herabgesetzt, so dass der Wandler praktisch an keinem Ausgang mehr Leistung abgibt. In diesen beiden Beispielen sowie allen anderen Anwendungsfällen, in denen eine Spannung für den Anwender von außen zugänglich ist, wird eine zusätzliche Strombegrenzung benötigt.

LED-Treiber regeln den Ausgangsstrom

Was spricht dafür, einen LED-Treiber als Strombegrenzer zu verwenden. Die Antwort ist einfach: Der LED-Treiber bringt alle Voraussetzungen für diesen Verwendungszweck mit. Im Prinzip ist ein LED-Treiber eine Stromquelle. Anders als „normale“ Wandler regelt er nicht die Ausgangsspannung, sondern den Ausgangsstrom. Die Spannung ergibt sich also aus dem Strom und kann theoretisch beliebige Werte annehmen. Solange der Strom kleiner ist als der vorgegebene Sollwert, wird das Tastverhältnis des Wandlers erhöht. Erst wenn der nominelle Ausgangsstrom erreicht ist, bleibt das Tastverhältnis auf dem aktuellen Wert stehen. Steigt die Last weiter an, wird das Tastverhältnis verkleinert, um den Strom konstant zu halten und die Ausgangsspannung gleichzeitig zu verringern. Sollte der nominelle Ausgangsstrom nicht erreicht werden, wird das Tastverhältnis so lange angehoben, bis es seinen Maximalwert von 100 Prozent erreicht. Dank dieses Verhaltens kann ein LED-Treiber in verschiedenen Anwendungen als Strombegrenzer genutzt werden.

Infrage kommen grundsätzlich alle auf einem Abwärtswandler basierenden ICs, sofern sie drei Voraussetzungen mitbringen. Zunächst müssen sie mit 100 Prozent Tastverhältnis arbeiten können. Deshalb scheiden nahezu alle auf N-FETs basierenden Abwärtswandler aus, da der FET in gewissen Zeitabständen geschaltet werden muss, um die Bootstrap-Schaltung zum Ansteuern des hochliegenden FET neu zu laden. Abwärtswandler mit P-FET sind dagegen die richtige Wahl, da sie mit einem Tastverhältnis von echten 100 Prozent betrieben werden können. Als zweite Voraussetzung muss der IC eine Strommessung auf der hochliegenden Seite, das heißt vor dem Ausgang besitzen. Wenn der Ausgang einer Spannungsversorgung für den Anwender zugänglich ist, fungiert in der Regel die Masse als Rücklaufweg für den Strom, so dass ein Shunt-Widerstand zwischen Rückleitung und Masse nicht infrage kommt. Als dritte Voraussetzung muss die Spannungsreferenz für die Strommessung niedrig sein, damit am Shunt-Widerstand eine möglichst geringe Spannung abfällt und bei Volllast die Ausgangsspannung nicht übermäßig beeinflusst wird.

Der LM3409 erfüllt alle genannten Voraussetzungen. Der Baustein besitzt außerdem ein kleines MSOP-10-Gehäuse und benötigt nur ein Minimum an externen Bauelementen. Wird der IC im Design als LED-Treiber genutzt, verhält er sich wie eine Stromquelle. Solange der Ausgangsstrom also unterhalb des Grenzwerts bleibt, beträgt das Tastverhältnis 100 Prozent. Erst bei einer Vergrößerung der Last wird das Tastverhältnis reduziert, um durch Absenken der Ausgangsspannung den Strom weiter konstant zu halten. Die minimale Ausgangsspannung kann 1,24 V betragen. Unterhalb dieses Werts wird der Wandler für eine gewisse Zeitspanne abgeschaltet, bis er erneut anläuft. Bild 1 zeigt die Schaltung für den Konstantstrom-Modus.

Bild 1: Schaltbild für die Konstantstrom-Betriebsart.

Bild 1: Schaltbild für die Konstantstrom-Betriebsart.Texas Instruments

Nachfolgend wird der Designprozess für den Fall beschrieben, dass ein 12-V-Ausgang auf 1,0 A begrenzt werden soll. Für ein schnelles und einfaches Design steht auf TI.com unter dem Stichwort PMP8531 eine entsprechende Excel-Tabelle zur Verfügung. Der Wandler schaltet nur dann, wenn der Ausgangsstrom auf 1,0 A begrenzt wird. Dieser Fall kann sehr lange eintreten, deshalb muss der Abwärtswandler thermisch so ausgelegt sein, dass er ohne zeitliche Begrenzung im geschalteten Modus arbeiten kann. Die vom Widerstand ROFF und dem Kondensator COFF festgelegte Schaltfrequenz ist deshalb auf einen praktikablen Wert einzustellen. Im vorliegenden Fall ist 400 kHz eine geeignete Frequenz, um die Schaltverluste in einem moderaten Bereich zu halten und um eine kompakten Spule verwenden zu können.

Die Induktivität richtet sich nach der gewünschten Stromwelligkeit. Meist werden 20 bis 30 Prozent angestrebt, doch in diesem Fall können 100 Prozent gewählt werden. Der minimale Strom in der Induktivität beträgt also 0,5 A und der maximale Strom 1,5 A. Für die Berechnung in der Excel-Tabelle wird eine Ausgangsspannung von 6,0 V angenommen, da die Stromwelligkeit bei einem Abwärtswandler ihr Maximum bei 50 Prozent Tastverhältnis erreicht. Mit diesen Werten ergibt die Berechnung einen Induktivitätswert von 6,8 µH.

Im nächsten Schritt geht es um die Wahl des Widerstands RSNS, mit dem der maximale Ausgangsstrom festgelegt wird. Über die Pins CSP (Pin 8) und CSN (Pin 7) misst der IC den Spannungsabfall an diesem Messwiderstand. Der Grenzwert ist nicht starr festgelegt, sondern kann mithilfe von IADJ (Pin 2) auf drei Arten variiert werden.

Variante 1: IADJ bleibt unbeschaltet

An IADJ liegt eine Stromquelle, die auf 1,24 V geklemmt wird, solange der Anschluss unbeschaltet ist. Da der Grenzwert stets ein Fünftel der an IADJ eingestellten Spannung beträgt, hat er im vorliegenden Fall einen Wert von 248 mV.

Variante 2: Anlegen einer externen Spannung an IADJ

Durch Anlegen einer externen Spannung von 0 bis 1,24 V an IADJ kann der Grenzwert zwischen 0 und 248 mV verstellt werden.

Variante 3: Anschließen eines externen Widerstands zwischen IADJ und GND

Die 5-µA-Stromquelle erzeugt einen Spannungsabfall an diesem Widerstand. Auch hier beträgt der Grenzwert ein Fünftel dieser Spannung.

Variante 1 weist den höchsten Grenzwert auf und erzeugt einen Spannungsabfall von 248 mV, der im vorliegenden Beispiel bereits zwei Prozent der Ausgangsspannung von 12 V ausmacht. Variante 2 ist auf eine zusätzliche präzise Spannung angewiesen, die aber in der Regel nicht zur Verfügung steht. Wegen ihrer großen Flexibilität ist deshalb Variante 3 die richtige Wahl für diese Anwendung. Mithilfe des externen Widerstands kann die Schwelle auf einen Wert gesetzt werden, der die Verwendung eines niederohmigen Standard-Widerstandswerts erlaubt, um die Verluste zu minimieren. Gleichzeitig lässt sich der Grenzwert sehr niedrig ansetzen, um die Verluste im Shunt-Widerstand zu minimieren. Ein Grenzwert von 75 mV wird eingestellt, indem ein Widerstand von 75,0 kΩ zwischen REXT und GND gelegt wird. In diesem Beispiel ist ein Messwiderstand von 50 mΩ erforderlich, der bei 12,0 V Ausgangsspannung und dem Maximalstrom von 1,0 A einen Spannungsabfall von nur 0,625 Prozent verursacht.

Einen Spannungsabfall erzeugt auch der P-FET, der stets mit dem Ausgang in Reihe geschaltet ist. Deshalb ist es wichtig, den insgesamt entstehenden Spannungsabfall zu berechnen und zu berücksichtigen. Für die meisten Anwendungen ist es unproblematisch, wenn der Spannungsabfall bei ein Prozent liegt. In der Beispielschaltung beträgt der Gesamt-Spannungsabfall bei 100 Prozent Tastverhältnis 177 mV, was bei 1,0 A Laststrom weniger als 1,5 Prozent entspricht.

Folgt diese Schaltung unmittelbar auf einen weiteren Wandler, kann sie dessen Ausgangskondensatoren nutzen, so dass keine oder allenfalls nur eine geringe zusätzliche Eingangskapazität benötigt wird.

Bild 2: Regelungsschema im Konstantstrom-Modus.

Bild 2: Regelungsschema im Konstantstrom-Modus.Texas Instruments

Wie hoch die Ausgangskapazität gewählt wird, hängt davon ab, welche Spannungswelligkeit am Ausgang zulässig ist, wenn der Wandler schaltet. Für eine einwandfreie Funktion reicht in der vorliegenden Schaltung ein Keramik-Kondensator von 1 µF aus. Bild 2 verdeutlicht die Regelung des Ausgangsstroms. Der Strom in der Induktivität ist blau, während der an den Verbraucher gehende Ausgangsstrom rot dargestellt ist.

Es ist wichtig zu wissen, dass der Wandler erst dann zu schalten beginnt, wenn der Maximalstrom erreicht ist. ILimit ist der maximale Ausgangsstrom (1,0 A), IPeak dagegen der maximale Ausgangsstrom zuzüglich der halben Stromwelligkeit (0,5 A bei 100 Prozent Welligkeit). Wird die Welligkeit niedriger angesetzt, so reduziert sich IPeak mit dem Resultat, dass die Schaltung früher anspricht.

Bild 3: Signalverläufe bei 1,0 A und 8,0 V.

Bild 3: Signalverläufe bei 1,0 A und 8,0 V.Texas Instruments

Mit dem Erreichen des Spitzenstroms von 1,5 A beginnt der Wandler zu schalten, woraufhin der durchschnittliche Ausgangsstrom auf 1,0 A begrenzt wird (rote Kurve). Der Strom in der Induktivität hat den gleichen Verlauf wie in einem herkömmlichen Abwärtswandler. Sobald der Laststrom den Wert von 1,0 A unterschreitet, stellt der Wandler das Schalten ein und der FET bleibt dauerhaft eingeschaltet (100 Prozent Tastverhältnis). Wenn der Strom beispielsweise ständig 1,25 A beträgt und somit unter IPeak liegt, erfolgt keine Begrenzung. Dies muss beim Systemdesign berücksichtigt werden.

Bild 4: Situation bei kurzgeschlossenem Ausgang.

Bild 4: Situation bei kurzgeschlossenem Ausgang.Texas Instruments

Bild 3 zeigt in Kanal 3 (blau) den Strom in der Induktivität, wenn der Laststrom auf 1 A begrenzt wird. Die Ausgangsspannung (Kanal 2, rot) ist bereits auf 8,0 V gefallen, während die Eingangsspannung nach wie vor 12,0 V beträgt. Die erhebliche Spannungswelligkeit resultiert aus der nur 1 µF betragenden Ausgangskapazität. Zur Verringerung der Welligkeit muss lediglich diese Kapazität vergrößert werden.

Auch bei kurzgeschlossenem Ausgang wird der FET abgeschaltet, sobald der Strom den Spitzenwert von 1,5 A erreicht. Wegen des Kurzschlusses kann die Ausgangsspannung jedoch nicht ansteigen. Der Wandler wird zum Schutz der Schaltung für 300 µs abgeschaltet und startet dann wieder für einen einzigen Zyklus.

Bild 5: Schaltplan für den Komparator-Modus.

Bild 5: Schaltplan für den Komparator-Modus.Texas Instruments

Die Verwendung des ICs im Komparator-Modus ist noch unkomplizierter und spart außerdem einige Bauteile ein. Die Funktionsweise ist recht einfach. Im Unterschied zur vorigen Betriebsart schaltet der FET ab und trennt den Verbraucher von der Stromversorgung, sobald der eingestellte Grenzstrom erreicht ist. Nach einer Verzögerungszeit von 300 µs wird der FET wieder eingeschaltet. Im Gegensatz zu der vorigen Konfiguration arbeitet der Baustein nicht als Stromquelle. Bild 5 zeigt das Schaltbild für den Komparator-Modus, der mit erheblich weniger Bauelementen auskommt (Ein- und Ausgangskondensatoren, Induktivität und Diode fallen weg).

Die Wahl des Messwiderstands RSNS und das Festlegen des Maximalstroms mithilfe von IADJ gehen genauso vonstatten wie im vorigen Abschnitt beschrieben. Auch diese Konfiguration wird von der Excel-Tabelle unterstützt, so dass sich das Design einfach gestaltet. Bild 6 illustriert die Funktionsweise dieser Schaltung, die im Prinzip wie eine elektronische Sicherung arbeitet.

Bild 6: Regelungsschema im Komparator-Modus

Bild 6: Regelungsschema im Komparator-ModusTexas Instruments

Der FET bleibt ohne zu schalten dauerhaft eingeschaltet, solange der Laststrom unter dem Grenzwert liegt. Sobald dieser überschritten wird, trennt der FET den Verbraucher für 300 µs von der Stromquelle und stellt die Verbindung nach Ablauf dieser Zeitspanne wieder her.