Auf die vorgesehene Leistungsklasse kommt es an

Bei der passenden LED-Treibertopologie für kleine Lampengrößen mit geringem Stromverbrauch kommt es vor allem auf ein geringes Design-Volumen für den LED-Treiber, eine gleichmäßige Lichtstrahlung durch eine gute Steuerung des LED-Stroms, einen hohen Wirkungsgrad und niedrige Kosten an. Um die Anforderungen des Energy Star-Programms für Beleuchtungen zu erfüllen, muss die Leuchte bei Eingangsleistungen von mehr als 5 W einen Leistungsfaktor ≥ 0.7 für Heimanwendungen und ≥ 0,9 für kommerzielle Anwendungen haben. Wenn keine Isolierung gegenüber dem LED-Treiber erforderlich ist, sind Abwärtsregler die kostengünstigste Lösung, da diese die wenigsten Bauteile benötigen. Bild 1 zeigt ein Beispiel für einen nicht isolierten Abwärtsregler, der zudem eine Leistungsfaktorkorrektur und eine Helligkeitsregelung beinhaltet. Es wird nur eine einfache Induktivität und ein einziges MOSFET/Dioden-Paar für den Abwärtsregler benötigt. Diese Topologie ist die beste Auswahl, wenn die Eingangsspannung größer ist als die von der LED-Last erforderliche Ausgangspannung.

Isolierter LED-Treiber

Muss der LED-Treiber isoliert sein, dann sollte ein primärseitig geregelter Sperrwandler (PSR Flyback) zum Einsatz kommen. Bild 2 zeigt ein Beispiel für einen derartigen Treiber. Die Kosten sind relativ gering, da keine Feedback-Schaltung auf der Sekundärseite erforderlich ist, um eine gute Regelung für den Konstantstrom zu gewährleisten und somit weniger Bauteile benötigt werden. Der MOSFET kann in den Controller integriert werden, um die Zahl der notwendigen Komponenten sowie den Platz auf der Leiterplatte zu minimieren. Die Zuverlässigkeit des Sperrwandlers kann verbessert werden, wenn auf den Optokoppler zur Isolation der Sekundär-Feedback-Schaltung verzichtet wird. Der DCM-Modus (Discontinuous Conduction Mode) ist die bevorzugte Betriebsart dieser PSR-Sperrwandler-Topologie, da damit die beste Ausgangsregelung erreicht wird. Die zugehörigen Signale sind in Bild 3 dargestellt.

Beim Betrieb eines PSR-LED-Treiber im Konstantspannungsmodus wird während der Entladezeit der Induktivität (tDIS) die Summe der Ausgangspannung und der Durchlassspannung der Diode auf die Hilfswindung reflektiert. Da die Durchlassspannung der Diode mit sinkendem Strom abnimmt, entspricht die Spannung über der Hilfswicklung der Ausgangspannung am Ende der Diodenleitdauer. Durch die Messung der Spannung an der Hilfswicklung am Ende der Diodenleitdauer lässt sich die Höhe der Ausgangspannung ermitteln.

Beim Betrieb im Konstantstrommodus kann der Ausgangsstrom geschätzt werden, und zwar mit dem maximalen Drain-Strom (Idspk) und der Entladezeit der Induktivität, da der Ausgangsstrom dem durchschnittlichen Diodenstrom im stabilen Zustand entspricht. Mit der innovativen Truecurrent-Technologie von Fairchild lässt sich ein konstanter Ausgangsstrom genau steuern.

Mit einer PSR-Topologie lässt sich ein Wirkungsgrad von 85 % erreichen. Bei einer Anwendung mit 8,4 W ergibt sich beispielsweise ein Leistungsverlust im LED-Treiber von 1,32 W bei einer Eingangsspannung von 85 V AC. Der größte Anteil am Gesamtverlust entfällt auf den Transformator, geschätzt etwa 0,55 W, gefolgt vom Überspannungsschutz (in Bild 2 ist dies die Reihenschaltung aus Diode und Parallelschaltung von Widerstand und Kondensator über der Primärwicklung des Transformators) mit 0,31 W, der MOSFET mit 0,26 W sowie der Ausgangs-Gleichrichter und der Brückengleichrichter mit zusammen 0,20 W. Der Transformator und der Überspannungsschutz sind im Allgemeinen die Komponenten mit der höchsten Verlustleistung. Der Überspannungsschutz ist aufgrund der Streuinduktivität des Transformators erforderlich, um einen Spannungsstress des MOSFETs zu verhindern. Die Leiterplatte und der EMV-Filter können ebenfalls entscheidend zur Verlustleistung beitragen, wenn diese nicht sorgfältig entwickelt werden.

Der Gesamtverlust von 1,32 W scheint nicht besonders bedeutsam zu sein, aber bei einem LED-Treiber mit geringer Leistungsaufnahme ist die LED-Last nahe am Treiber, somit ist hinsichtlich der Erwärmung die Summe beider Verluste zu berücksichtigen. Da die Abführung der Wärme nicht mit einem Lüfter erfolgen kann, muss, um eine hohe Zuverlässigkeit gewährleisten zu können, die Gesamtleistung von 8,4 W mithilfe eines Kühlkörpers effektiv vom Halbleiter und den anderen Elektronikbauteilen abgeleitet werden. Der Einsatz von elektrolytischen Kondensatoren kann die Lebensdauer des Designs senken, wenn die thermische Lösung nicht effizient arbeitet und die Wärme entsprechend abführt, so dass die Temperatur der Bauteile niedrig bleibt.

Anwendungen mit mittlerer Leistung bis 50 W

Lösungen mit mittlerer Leistung benötigen ebenfalls kleine Design-Volumen und eine Leistungsfaktorkorrektur. Der Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit sind auch in diesem Leistungsbereich wichtige Design-Aspekte. Eine gute Topologie hierfür ist die einstufige Sperrwandler-Topologie mit Leistungsfaktorkorrektur (Bild 4). Mit einem einstufigen Design lässt sich die Anzahl der benötigten Bauteile reduzieren, zudem ist kein Eingangskondensator erforderlich, was nicht nur Platz, sondern auch Kosten spart. Der Sperrwandler enthält auch eine Leistungsfaktorkorrektur sowie eine Rückkopplung von der Sekundärseite. Mit einer derartigen Sperrwandler-Topologie für mittlere Leistung kann ein Wirkungsgrad von bis zu 84 % erreicht werden. Bei dieser Topologie werden die höchsten Verluste im LED-Treiber durch den Transformator und den Überspannungsschutz verursacht. Der Leistungsverlust des Überspannungsschutzes steigt mit der Gesamtverlustleistung, da der Verlust proportional zur Streuinduktivität des Transformators multipliziert mit dem Quadrat des Spitzenstroms im MOSFET ist. Bei diesem Design ist sowohl die Größe des Transformators als auch der Spitzenstrom im MOSFET höher.

Anwendungen mit mehr als 50 W Eingangsleistung

Hochleistungs-Lösungen konzentrieren sich darauf, einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Zuverlässigkeit zu akzeptablen Kosten mit möglichst wenigen Bauteilen zu erreichen. Hier ist ein zweistufiger LED-Treiber zu empfehlen. Die erste Stufe wird für die Leistungsfaktorkorrektur benötigt, dann folgt eine DC/DC-Umwandlungsstufe, um den konstanten Ausgangsstrom zu erhalten. Als erste Stufe kann der gleiche einstufige PFC-Sperrwandler wie im mittleren Leistungsbereich verwendet werden. Um die Materialkosten in diesem zweistufigen Ansatz zu reduzieren, lassen sich einige Komponenten und Funktionen der ersten Stufe in den Controller integrieren.

Es sind zwei Arten von DC/DC-Wandlern für die zweite Stufe zu empfehlen: ein quasiresonanter (QR) Sperrwandler für Anwendungen unter 100 W und die LLC-Topologie für Anwendungen mit mehr als 100 W. Ein Sperrwandler erreicht gegenüber der LLC-Topologie nicht nur einen vernünftigen Wirkungsgrad, sondern ist auch weniger komplex. Die QR-Topologie reduziert die Schaltverluste aufgrund der MOSFET-Ausgangskapazität durch eine Verringerung der Einschaltspannung. Durch das Soft-Switching des MOSFETs bei der QR-Topologie lässt sich zudem die EMI reduzieren. Allerdings ermöglicht die LLC-Topologie einen besseren Wirkungsgrad, da der MOSFET im Nulldurchgang der Spannung schaltet und ein kleiner Eingangskondensator eingesetzt werden kann. Mit diesem zweistufigen Ansatz lässt sich ein Wirkungsgrad von bis zu 92 % erreichen. Bild 5 und Bild 6 zeigen die QR- und LLC-Topologie. Die LLC-Schaltung in Bild 6 nutzt den Leckstrom und die Magnetisierungsinduktivität des Transformators, um die LLC-Resonanzschaltung zu realisieren. Bei Hochleistungs-Anwendungen werden im Allgemeinen mehrere LED-Strings verwendet. Bild 6 zeigt, wie sich mit einem sekundären Controller der Strom durch die LED-Strings ausbalancieren lässt.

(jj)