Unglücklicherweise liegen geringe elektromagnetische Interferenzen nicht in der Natur von High-Power-Stromversorgungen. Die konstante Schaltfrequenz produziert bei verschiedenen Frequenzen signifikante elektromagnetische Interferenzen (EMI), die bei der grundlegenden Betriebsfrequenz der Stromversorgung und deren Harmonischen liegen. Ein Weg die EMI-Spitzenwerte zu minimieren, ist es der Betriebsfrequenz der schaltenden Stromversorgungen (Switch Mode Power Supply, SMPS) zu erlauben, einen bestimmten Bereich an Frequenzwerten zu überstreichen, also sogenanntes Spreizspektrumsschalten zu implementieren.

Geteiltes Leid

Der gewünschte Effekt des Spreizspektrumsschaltens ist, die EMI-Spitzwerten zu dämpfen, die bei der fundamentalen Betriebsfrequenz der SMPS und deren Harmonischen auftreten würden. Damit verteilt man die Energie auf einen Bereich von unterschiedlichen Frequenzen. Die SMPS von LED-Treibern stellt aber eine besondere Anforderung: Die Spreizung der Frequenz sollte auch mit dem PWM-Dimmen (Regelung der Helligkeit) synchronisiert sein, um sicherzustellen, dass kein Flackern der LED auftritt.

Zu diesem Zweck generiert der LT3795 von Linear Technology sein eigenes Spreizspektrum-Rampensignal und passt es mit einer patentierten Technik an die niedrigere Frequenz der PWM-Dimmung an. Dies verhindert – selbst bei den höchsten PWM-Dimmverhältnissen – dass die Spreizspektrumsfrequenz mit dem PWM-Signal interferiert und sichtbares Flackern in den LEDs erzeugt.

Bild 1: 80-V- / 400-mA-LED-Treiber für Automobilanwendungen mit internem Spreizspektrum zur Reduzierung von EMI.

Bild 1: 80-V- / 400-mA-LED-Treiber für Automobilanwendungen mit internem Spreizspektrum zur Reduzierung von EMI.Linear Technology

High-Power-LED-Treiber

Der LT3795 ist ein High-Power-LED-Treiber, der die gleiche Hochleistungs-PWM-Dimmmethode benutzt wie die LT3756- / LT3796-Familie, aber er besitzt die zusätzlichen Funktion der internen Spreizspektrumsrampe für eine reduzierte EMI. Es ist ein einkanaliges Schaltcontroller-IC, das mit 4,5 bis 110 V am Eingang arbeitet und 0 bis 110 V am Ausgang generiert und sich als LED-Treiber im Aufwärts-, Sepic-, Auf/Abwärts- oder Abwärtsmodus konfigurieren lässt.

Sein Frequenzschaltbereich liegt zwischen 100 kHz und 1 MHz; er hat Schutzfunktionen bei unterbrochenen und kurzgeschlossenen LEDs und kann auch als Konstantspannungsregler mit Strombegrenzung oder als Konstantstrom-SLA-Batterie- oder -Superkondensator-Ladebaustein Einsatz finden.

Internes Spreizspektrum vereinfacht das Design

Anders als viele High-Power-LED-Treiber generiert der LT3795 seine eigene Spreizspektrumsrampe, um die Schaltfrequenzmodulation so zu produzieren, dass sie 30 Prozent unterhalb der programmierten Schaltfrequenz liegt. Dies verkleinert die geleiteten EMI-Spitzenwerte und verringert den Bedarf, große und teure EMI-Eingangsfilterkondensatoren und -Spulen einsetzen zu müssen.

Bild 2: Geleitete EMI-Spitzenwerte um das AM-Band lassen sich mithilfe der Spreizspektrumsfrequenzmodulation des LT37965 um 3 dbµV bis 6 dbµV reduzieren. Die AM-Bandbegrenzung nach CISPR 25, Klasse 5 ist die Referenz.

Bild 2: Geleitete EMI-Spitzenwerte um das AM-Band lassen sich mithilfe der Spreizspektrumsfrequenzmodulation des LT37965 um 3 dbµV bis 6 dbµV reduzieren. Die AM-Bandbegrenzung nach CISPR 25, Klasse 5 ist die Referenz.Linear Technology

Der Einsatz eines externen oder separaten Spreizspektrumstakts, um die Schaltfrequenz in einem LED-Treiber zu erzeugen, kann sichtbares Flackern während des PWM-Dimmens hervorrufen, da das Spreizspektrums-Frequenzmuster nicht mit der PWM-Periode synchronisiert ist. Aus diesem Grund ist das Implementieren des Spreizspektrums in vielen High-End-LED-Treiberapplikationen nicht trivial.

Ohne Spreizspektrum sind die Entwickler abhängig von großen EMI-Filtern, Dämpfern an der Schalt- und Freilaufdiode und Gate-Widerständen, die die Schaltflanken verlangsamen, aber den Wirkungsgrad senken. Vergleichen lassen sich die Messungen der geleiteten EMI des LT3795-LED-Treibers um das AM-Band herum, einmal mit und einmal ohne Spreizspektrum (Bild 2).

Bild 3: Darstellung auf einem Spektrumsanalysator: Die geleiteten EMI-Messungen zwischen 150 kHz und 30 MHz des LT3795-Treibers zeigen die Reduzierung der Spitzen-EMI-Werte über einen großen Frequenzbereich.

Bild 3: Darstellung auf einem Spektrumsanalysator: Die geleiteten EMI-Messungen zwischen 150 kHz und 30 MHz des LT3795-Treibers zeigen die Reduzierung der Spitzen-EMI-Werte über einen großen Frequenzbereich.Linear Technology

Energiespitzen vermeiden

Der Normalbetrieb (ohne Spreizspektrum) resultiert in hohen Energiespitzen bei der Schaltfrequenz und ihren Harmonischen. Diese Spitzen können verhindern, dass das Design strenge Anforderungen in EMI-empfindlichen Applikationen wie Automobilen erfüllt. Als Referenz sind die in der CISPR 25, Klasse 5 definierten geleiteten EMI-Grenzwerte für Automobilanwendungen dargestellt (Bild 2). Das Spreizspektrum hat Auswirkungen auf ein größeres Frequenzband (Bild 3).

Da es keine Grenze zwischen 300 und 580 kHz gibt, ist dies ein geeigneter Bereich, um die Grundfrequenz darin zu platzieren. In dieser Anwendung wird sie auf 450 kHz gelegt und auf 300 kHz herunter gespreizt.

Bild 4a: Das Spreizspektrum wirkt sich nicht  auf die LED-Helligkeit aus. Die Schwebeeinstellung des 1-kHz-Spreizspektrums hat eine vernachlässigbare Wirkung auf den LED-Brummstrom; die Frequenz ist zu hoch, als dass sie das menschliche Auge erkennen kann

Bild 4a: Das Spreizspektrum wirkt sich nicht auf die LED-Helligkeit aus. Die Schwebeeinstellung des 1-kHz-Spreizspektrums hat eine vernachlässigbare Wirkung auf den LED-Brummstrom; die Frequenz ist zu hoch, als dass sie das menschliche Auge erkennen kannLinear Technology

Das Spreizspektrum lässt sich durch einfaches Legen des Ramp-Pin auf Masse deaktivieren. Der 6,8-nF-Kondensator am Ramp-Pin stellt die Modulationsrate der Spreizspektrumsfrequenz auf ein 1-kHz-Dreieck ein – das bedeutet, dass die Betriebsfrequenz des LT3795 von 300 kHz bis 450 kHz jede Millisekunde hin und her schwankt. Das Hinzufügen des dreieckigen 1-kHz-Spreizspektrumssignals hat eine vernachlässigbare Auswirkung auf den LED-Brummstrom (Bild 4).

Die Modulationsfrequenz von 1 kHz wurde gewählt, weil sie klein genug ist, um innerhalb der Bandbreite des LT3795 zu liegen, aber hoch genug, um geleitete EMI-Spitzenwerte im AM-Band deutlich zu dämpfen. Darüber hinaus senkt die reduzierte Modulationsfrequenz die Dämpfung im AM-Band, wo sie am wichtigsten für die Klassifizierung ist.

Bild 4b: Das Spreizspektrum hat keine Auswirkung auf die LED-Helligkeit. Die Schwebeeinstellung des 1-kHz-Spreizspektrums hat eine vernachlässigbare Auswirkung auf den LED-Brummstrom im Vergleich zum Betrieb ohne Spreizspektrum.

Bild 4b: Das Spreizspektrum hat keine Auswirkung auf die LED-Helligkeit. Die Schwebeeinstellung des 1-kHz-Spreizspektrums hat eine vernachlässigbare Auswirkung auf den LED-Brummstrom im Vergleich zum Betrieb ohne Spreizspektrum.Linear Technology

Die Wahl der Modulationsfrequenz des Spreizspektrums hat keinerlei Auswirkungen auf die Dämpfung von EMI-Spitzenwerten bei höheren Frequenzen. Oberhalb von 100 Hz erkennt das menschliche Auge den Unterschied nicht mehr.

Flackerfreie PWM-Dimmung

Es ist auch möglich, die EMI mit einer Spreizspektrumsquelle zu reduzieren, die nicht mit dem PWM-Signal synchronisiert ist, aber der unterschiedliche Takt der Schaltfrequenz und des PWM-Signals können sichtbares Flackern in der LED erzeugen. Die Spreizspektrumsrampe, die der LT3795 generiert, synchronisiert sich selbst mit der PWM-Periode, wenn das PWM-Dimmen einsetzt. Dies ergibt ein wiederholbares, flackerfreies PWM-Dimmen selbst bei hohen Dimmverhältnissen von 1000:1.

Bild 5a: Wiederholte und überlappende PWM-LED-Ströme. Die Spreizspektrumstechnik des LT3795 erzeugt von Einschaltzyklus zu Einschaltzyklus konsistente PWM-LED-Ströme und erzielt einen flackerfreien Betrieb bei hohen Dimmverhältnissen.

Bild 5a: Wiederholte und überlappende PWM-LED-Ströme. Die Spreizspektrumstechnik des LT3795 erzeugt von Einschaltzyklus zu Einschaltzyklus konsistente PWM-LED-Ströme und erzielt einen flackerfreien Betrieb bei hohen Dimmverhältnissen.Linear Technology

Die Stromkurven bei der PWM-Dimmung von zwei Spreizspektrumsmodellen sind unterschiedlich (Bild 5): Bild 5a zeigt den Verlauf mit der Synchronisationstechnik von Spreizspektrum und PWM-Signal. Bild 5b zeigt den Verlauf bei einer Synchronisationstechnik ohne Spreizspektrum. Beide Messkurven wurden mit unendlicher Dauer aufgenommen und zeigen eine Überlappung einer ganzen Reihe von Zyklen eines Ein-Prozent-PWM-Dimmsignals. Der Spreizspektrumsbetrieb des LT3795 beeinflusst den PWM-LED-Strom (Bild 5a). Das Signal ist von Zyklus zu Zyklus konsistent, was in einem flackerfreien Betrieb resultiert.

Der LT3795 schneidet im direkten Vergleich mit einem anderen Spreizspektrummodell (Bild 5b) besser ab. Die Variation von Zyklus zu Zyklus der Signalform während der eingeschalteten Periode erzeugt Unterschiede im durchschnittlichen LED-Strom, was bei hohen Dimmverhältnissen als Flackern zu erkennen ist.

Bild 5b: Vergleichbares Ergebnis wie Bild 5a, jedoch mit einem anderen Spreizspektrums-LED-Treiber. Ohne dessen Synchronisation  sind die Signalformen des LED-Stroms von Zyklus zu Zyklus inkonsistent, was ein erkennbares Flackern produziert.

Bild 5b: Vergleichbares Ergebnis wie Bild 5a, jedoch mit einem anderen Spreizspektrums-LED-Treiber. Ohne dessen Synchronisation sind die Signalformen des LED-Stroms von Zyklus zu Zyklus inkonsistent, was ein erkennbares Flackern produziert.Linear Technology

Wichtig ist der Faktor, dass Spreizspektrum-Treiber-ICs ohne patentierte LT3795-Technik zwar ein gutes Ergebnis bei der Reduzierung der EMI produzieren können, das Flackern aber immer noch präsent sein kann. Man muss die LEDs oder die Signalform des LED-Stroms beachten, um zu verstehen, ob Flackern präsent ist. Im Falle des LT3795 sind sowohl der Ausdruck der geleiteten EMI-Werte als auch die Oszilloskop-Darstellung gut.

Kurzschlusssichere Aufwärtswandlung

Der dargestellte LT3795-Aufwärts-LED-Treiber (Bild 1) ist kurzschlussfest. Die Trennung des PMOS auf der stromführenden Seite wird nicht nur für das PWM-Dimmen benutzt, sondern auch für den Kurzschlussschutz, wenn der Anwender den LED+-Anschluss auf Masse kurzschließt. Eine spezielle interne Schaltung überwacht, ob der Ausgangsstrom zu hoch und die LED+-Spannung zu gering ist, dann schaltet der PMOS-Trennschalter ab und zeigt einen Kurzschlussfehler an der LED an. Auf ähnliche Weise begrenzt das IC seine maximale Ausgangsspannung; eine unterbrochene LED zeigt an, wenn die LED-Kette entfernt oder unterbrochen wird.

Auf einen Blick

Der 110-V-LED-Treiber mit eingebauter Spreizspektrumsmodulation kann EMI reduzieren. Dies vereinfacht das Design von LED-Applikationen, die diesbezüglich strengen Anforderungen genügen müssen. Das Spreizspektrum benötigt einen Kondensator und erzeugt, anders als bei auf externem Takt basierenden Spreizspektrumsmodellen, einen flackerfreien LED-Betrieb während der Dimmung. Mit Kurzschlussschutz ist das IC eine robuste und leistungsfähige Stromversorgung für LEDs in Automotive-Anwendungen.

Der LT3795 lässt sich verwenden, um LEDs in einer aufwärtswandelnden Einstellung zu treiben. Er eignet sich ebenfalls für den Betrieb im Abwärts-, Auf-/Abwärts-, SEPIC- und Flybackmodus, wenn es das Verhältnis der LED-Kettenspannung und der Eingangsspannungsbereich erfordert.

Alle Topologien haben sowohl das gleiche Spreizspektrum als auch den Kurzschlussschutz. Der LT3795 lässt sich sogar als Konstantspannungs-Aufwärtswandler oder als SEPIC-Spannungsregler mit Spreizspektrums-Frequenzmodulation konfigurieren.