Bild 1. Prinzip einer LED-Treiberschaltung auf Basis der nichtisolierten Boost-Topologie.

Bild 1. Prinzip einer LED-Treiberschaltung auf Basis der nichtisolierten Boost-Topologie. TI

Für LED-Treiber werden häufig nichtsynchrone Boost-Wandler (Aufwärtswandler) eingesetzt, wenn die verfügbare Eingangsspannung nicht ausreicht, um eine Serien- oder Parallelschaltung mehrerer LED-Ketten mit einer ausreichenden Vorwärtsspannung zu versorgen. Diese induktive Schaltnetzteil-Topologie stellt die nötige Ausgangsspannung zur Regelung des LED-Stroms bereit und wird daher häufig in LCD-Hintergrundbeleuchtungen verwendet. In Anwendungen, in denen LED-Matrix und Treiber getrennt voneinander angeordnet sind, wie bei Innen- und Außenbeleuchtungen von Kraftfahrzeugen, besteht die reale Gefahr eines Kurzschlusses zwischen Ausgang und Masse. Die möglicherweise katastrophalen Folgen eines solchen Vorkommnisses lassen sich mit einer Schutzschaltung abwenden, die den Kurzschlussstrom begrenzt und als elektronischer Schutzschalter fungiert.

Wie Bild 1 zeigt, ist der Eingang eines Aufwärtswandlers über die Boost-Induktivität L1 und die Boost-Diode D1 mit seinem Ausgang verbunden. Ein Kurzschluss am Ausgang kann daher zur Sättigung der Boost-Induktivität führen und eine Stromspitze verursachen, die die Boost-Diode zerstören kann. Gravierender ist, dass der Kurzschluss auch alle an den Eingang angeschlossenen Schaltungen außer Betrieb setzen kann, darunter auch der PWM-Controller (Pulsweiten-Modulator). Dies macht die Notwendigkeit deutlich, dass hier ein Stromkreisschutz vorhanden sein muss.

Eckdaten

LED-Treiber auf Basis eines nichtsynchronen  Aufwärtswandlers benötigen im Falle eines ausgangseitigen Kurzschlusses einen soliden Bauteilüberlastungsschutz. Texas Instruments empfiehlt seinen Current-Mode-Boost-Controller TPS40211 mit dem Current-Shunt-Monitor INA210  und einem schnellen MOSFET zu erweitern, um somit Bauteile wie auch die Peripherie vor Schäden zu schützen.

Nachfolgend wird eine vielseitige und kostengünstige Schaltung beschrieben, die sich so optimieren lässt, dass sie den Aufwärtswandler und seinen Eingang vor Kurzschlüssen am Ausgang schützt. Der Beitrag präsentiert sogar eine Schaltungssimulation, mit der sich das gewünschte Verhalten verifizieren lässt.

Bild 2. Der Current-Shunt-Monitor INA201 stellt Schutzfunktionen zur Verfügung und enthält einen Differenzmessverstärker und einen Komparator mit interner Referenzspannung.

Bild 2. Der Current-Shunt-Monitor INA201 stellt Schutzfunktionen zur Verfügung und enthält einen Differenzmessverstärker und einen Komparator mit interner Referenzspannung. TI

Strombegrenzer und elektronischer Schutzschalter

Der sogenannte Current-Shunt-Monitor (CSM) ist ein präziser differenzieller Strommessverstärker mit hoher Verstärkung, der häufig zur Überwachung von Eingangs- und Ausgangsströmen verwendet wird. Die in Bild 2 gezeigte typische Konfiguration enthält einen Open-Drain-Komparator, der sich für das Auslösen, Halten und Zurücksetzen bei einem bestimmten Strom programmieren lässt.

Mit dem Ausgang des Komparators lässt sich ein externer MOSFET ansteuern, der einen Kurzschluss innerhalb weniger Mikrosekunden unterbrechen kann. Abgesehen von der Unterbrechung des Eingangsstroms beim Vorliegen eines Fehlers am Ausgang eignet sich der analoge Ausgang auch als Abhilfe gegen das Problem der sogenannten negativen Eingangsimpedanz eines Schaltreglers, die den Eingangsstrom bei sinkender Eingangsspannung ansteigen lässt.

Bild 3. Der Eingangsstrombegrenzer stützt sich auf die Erfassung des Eingangs- und des Ausgangsstroms

Bild 3. Der Eingangsstrombegrenzer stützt sich auf die Erfassung des Eingangs- und des Ausgangsstroms TI

Eine Begrenzung des Eingangs lässt sich erreichen, indem man Eingangs- und Ausgangstrom mit einer logischen Oder-Funktion verknüpft. Ziel ist die Erzeugung eines kombinierten Feedback-Signals, das den PWM-Controller wie in Bild 3 ansteuert. Der CSM übersteuert in diesem Fall das Rückführsignal des Ausgangsstroms und sorgt dafür, dass der LED-Strom abnimmt, wenn die Eingangsspannung unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt. Auf diese Weise wird der Eingangsstrom begrenzt.

Funktionsweise der Schaltung

Die Implementierung eines als Aufwärtswandler konfigurierten LED-Treibers zeigt Bild 4a, an der Boost-Diode SD1 schließt sich in Bild 4b eine ausgangsseitige Kurzschlussschutzschaltung  an. Die in der Schaltung verwendete Ostar-LED von Osram Opto Semiconductors ist für Kfz-Frontscheinwerfer vorgesehen. Es handelt sich dabei um eine monolithische Fünffach-LED auf einem isolierten Metallsubstrat. Das Bauelement verkraftet einen Stoßstrom von 2 A für maximal10 µs, die typische Flussspannung beträgt 18 V bei 1 A. Der DC/DC-Aufwärtswandler erfasst am Feedback-Pin den LED-Vorwärtsstrom und variiert die Ausgangsspannung zur Regelung des LED-Stroms. Erfasst wird der LED-Strom mithilfe des Widerstands RSNS, dessen Wert proportional zur internen Bandabstands-Referenz des PWM-Wandlers ist (RSNS = VREF / ILED). Durch die Verwendung eines Boost-Wandlers mit niedriger Referenzspannung lässt sich einfacher ein hoher Wandlerwirkungsgrad erzielen und außerdem die thermische Belastung des Bauelements reduzieren.

Bild 4a (linke Schaltbildhälfte, Überlappungspunkt ist SD1): Der LED-Treiber wird mit dem Current-Mode-Boost-Controller TPS40211 realisiert.

Bild 4a (linke Schaltbildhälfte, Überlappungspunkt ist SD1): Der LED-Treiber wird mit dem Current-Mode-Boost-Controller TPS40211 realisiert. TI

Die LED kann grundsätzlich eine Lebensdauer von mehr als 50.000 Stunden erreichen. Sie ist jedoch empfindlich gegen thermische und elektrische Überlastungen, und ihre dynamischen Impedanzeigenschaften stellen häufig eine Herausforderung dar, wenn es um die Auswahl der Bauelemente für den Schaltregler und das Design der Regelschleife geht. Diese Herausforderungen sind Thema einer speziellen Applikationsschrift. Angesichts dieser Situation wurde eine Simulation der Schaltung in Bild 4 ausgearbeitet, um die Komplexitäten des LED-Treibers und der Schutzschaltungen analysieren zu können und Aufschlüsse über das voraussichtliche Verhalten der Schaltung unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu erhalten.

Der für die Analyse gewählte PWM-Controller besitzt eine Feedback-Referenzspannung von 0,26 V. Bei einem LED-Strom von 1 A fällt somit am Messwiderstand eine Leistung von nur 0,26 W ab. Da der CSM eine Verstärkung von 50 aufweist, wird zum Erfassen des Ausgangsstroms ein wesentlich kleinerer Messwiderstand verwendet. Sobald dieser Strom einen Grenzwert überschreitet, der vom CSM-Messwiderstand, der Verstärkung des CSM und der Komparator-Ansprechschwelle überRb und Rt in Bild 4b festgelegt wird, unterbricht der PMOS-Längstransistor T5 den Laststrom und fungiert somit als elektronischer Schutzschalter.

Bild 4b (rechte Schaltbildhälfte, Überlappungspunkt ist SD1): Der Current-Shunt-Monitor INA210C sorgt ausgangsseitig für einen Kurzschlussschutz.

Bild 4b (rechte Schaltbildhälfte, Überlappungspunkt ist SD1): Der Current-Shunt-Monitor INA210C sorgt ausgangsseitig für einen Kurzschlussschutz. TI

Zurücksetzen lässt sich der in diesem Zustand verbleibende Ausgang, indem man den Reset-Pin auf Low-Zustand legt. Zum Zwecke dieses Artikels wurde der Reset-Pin jedoch außer Betrieb gesetzt, um die Ansprechgeschwindigkeit untersuchen zu können. Die Reaktionsgeschwindigkeit und die maximalen Ströme hängen von zahlreichen Variablen ab – so zum Beispiel von den gewählten Bauelementen, der CSM-Bandbreite, dem Rauschfilter, der Ausgangskapazität, dem verwendeten FET und der Boost-Induktivität am Ausgang. Gemeinsam wirken sich diese Faktoren auf die Ausgangsimpedanz des Wandlers aus. Zur präzisen Erfassung des Verhaltens wurde die Simulation mit einer auf 50 ns eingestellten maximalen Zeitschrittweite und einer relativen DC-Toleranz von 0,001 % durchgeführt. Die Analyse erfolgte mit TINA-TI, einem kostenlosen Simulator, der zu Berkeley-SPICE-3f5 kompatibel ist. Die 5-ms-Simulation des mit 300 kHz Schaltfrequenz arbeitenden Aufwärtswandlers vom Anlaufen bis zum eingeschwungenen Zustand dauert knapp 30 Sekunden.

Schaltungsschutz an der richtigen Stelle

Der CSM kann wahlweise am Eingang oder am Ausgang des Boost-Wandlers platziert werden. In der vorliegenden Simulation wird er am Ausgang angeordnet. Er erfasst hier den Strom durch einen Shunt-Widerstand von 10 mΩ, der in Reihe mit dem PMOS-Längstransistor (T5) am Ausgang liegt. Je nachdem, wo sich der CSM befindet, bietet die Schaltung Schutz gegen interne und/oder externe Kurzschlüsse. Allerdings muss der CSM so konzipiert werden, dass er unter allen Bedingungen einen hinreichend großen Gleichtaktbereich aufweist.

Wird der CSM am Eingang des Aufwärtswandlers platziert, reicht ein kleinerer Gleichtaktbereich aus. Allerdings schafft die Anordnung des CSM am Ausgang einen Bypass für die Boost-Induktivität und ermöglicht damit eine schnellere Reaktion auf einen Kurzschluss. Unabhängig von der Platzierung des CSM sollte jedoch in jedem Fall ein RC-Filter verwendet werden, um Störungen und resonanzbedingte Schwingungen zu dämpfen, die sonst infolge abrupter di/dt-Phänomene im Shunt-Widerstand entstehen könnten. Geeignet sind ein kleiner 100-Ω-Widerstand und ein differenzierender Kondensator mit einer Zeitkonstante, die dreimal größer ist als die geschätzte Zeitkonstante aus der parasitären Induktivität Lp und dem Widerstandswert R des Shunt-Widerstands. Da sich das Störfilter ungünstig auf den Verstärkungsfehler und die Bandbreite des CSM auswirkt, ist es wichtig, die Filterkonstante klein zu halten.

Bild 5. Der Current-Shunt-Monitor INA210 reagiert schnell und verhindert beim Ausgangsstrom I_out Überschwinger, wie die Simulationsergebnisse zeigen. Ein schneller MOSFET-Schalter minimiert aber auch ein Überschwingen des Eingangsstromes (blaue Kurve von I_in).

Bild 5. Der Current-Shunt-Monitor INA210 reagiert schnell und verhindert beim Ausgangsstrom I_out Überschwinger, wie die Simulationsergebnisse zeigen. Ein schneller MOSFET-Schalter minimiert aber auch ein Überschwingen des Eingangsstromes (blaue Kurve von I_in). TI

Simulationsergebnisse

Das Ergebnis der Simulation ist in Bild 5 dargestellt. Vg ist die Gate-Steuerspannung des PMOS-FET. Sie beträgt unter normalen Bedingungen -6 V. Abhängig von der Schwellenspannung, der Gateladung und den Sättigungseigenschaften des FET ist hier eine Optimierung erforderlich. Durch Minimieren der Gatespannung lässt sich die Reaktionszeit verbessern. Der Pull-up-Widerstand sollte im Hinblick auf eine minimale Unterbrechungszeit gewählt werden. Eingangsstrom und Gatespannung sind übrigens einmal für einen MOSFET mit hoher Gateladung (lila) und einmal für einen MOSFET mit geringer Gateladung (blau) dargestellt.

Es ist klar zu sehen, dass der Baustein mit geringerer Gateladung den Strom am Eingang minimiert. MOSFET und die Gatetreiberschaltung sollten so dimensioniert werden, dass sich optimale Reaktionseigenschaften einstellen. Ebenso von Bedeutung sind die di/dt-Begrenzung und die Einhaltung eines sicheren Arbeitsbereichs des MOSFETs. Da sich diese komplexen Designaspekte nicht ohne weiteres analysieren lassen, lassen sie sich am besten simulieren und im praktischen Versuch verifizieren.

Einige Oszilloskope, beispielsweise von Tektronix, sind mit spezieller Testsoftware ausgestattet, mit der sich die Verluste im Schalter entsprechend dem sicheren Arbeitsbereich des MOSFET berechnen lassen. Die Simulation ergibt eine Reaktionszeit von weniger als 2 µs Dauer, sodass der Eingangsstrom auf weniger als 6 A ansteigt, bevor er unterbrochen wird. Wie groß der Eingangs- und der Ausgangsstrom maximal werden, hängt davon ab, welcher FET als Stromkreisunterbrecher gewählt wird. Leistungsfähige Hot-Swap-Controller, die High-Side-NMOS-Bausteine ansteuern, stellen eine weitere Option dar und können Unterbrechungszeiten von unter 250 ns erzielen. Diese Bausteine sind zwar eigentlich für das Einstecken von Karten in Backplanes bei laufendem Betrieb ausgelegt, können aber eine leistungsfähigere Lösung bieten, als das hier gezeigte Konzept.

Fehler abgewendet

Die hier vorgestellte und simulierte Schaltung unterbricht und begrenzt den Eingangs- und Ausgangsstrom eines als Aufwärtswandler konfigurierten LED-Treibers unter den verschiedensten Lastbedingungen. Sie ist für den Einsatz in einem Treiber für Kfz-Frontscheinwerfer optimiert. Wir konnten zeigen, dass eine sorgfältige Analyse und Bauteileauswahl notwendig ist, um der Schaltung eine optimale Reaktionsgeschwindigkeit zu verleihen. Die Berücksichtigung dieser Befindlichkeiten in einer umfassenden Schaltungssimulation im Zeitbereich hilft, das Verhalten der Schaltung unter verschiedenen Einsatzbedingungen und mit unterschiedlichen Bauelementen zu verstehen.

Erwogen werden sollte auch die Verwendung spezieller Hot-Swap-Controller mit besonderen Eigenschaften und optimierter Performance. Unabhängig davon ist in jedem Fall eine sorgfältige Analyse erforderlich, wenn eine Schaltung zur Unterbrechung oder Begrenzung eines Stroms benötigt wird. Das Design einer robusten Schutzschaltung für einen LED-Treiber stellt eine komplexe Aufgabe dar. Software wie TINA-TI, SPICE und Webench ist in jedem Fall eine große Hilfe, um die Analyse und das Schaltungsdesign zu beschleunigen.