Das Angebot von ST für LED-Beleuchtungsanwendungen

Nach Angaben von Analysten (IHS-Report „The world market for power in LED Lighting” vom März 2016) wird der Markt für allgemeine LED-Beleuchtungen in der Zeit von 2015 bis 2020 Zuwachsraten von 25 % für Wohngebäude, 29 % für gewerbliche Gebäude (Einzelhandel und Büros) und 16,9 % für Straßenbeleuchtungen verzeichnen. Dieses Wachstum stützt sich auf zwei Faktoren. Zum einen ist das Energiebewusstsein einiger großer Länder gestiegen und es gibt Vorschriften, Glühlampen zugunsten effizienterer Leuchtmittel wie LEDs abzuschaffen. Der zweite Faktor hängt mit der rapiden Urbanisierung in den Schwellenländern zusammen. Die wachsende Zahl der Haushalte und eine verbesserte städtische Infrastruktur erfordern immer mehr Leuchtmittel.

STMicroelectronics deckt den kompletten Bedarf im Bereich der allgemeinen LED-Beleuchtungen ab und bietet ein breites Portfolio spezieller Produkte für verschiedene Anwendungen (Wohngebäude, Gewerbegebäude, Straßenbeleuchtung).

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Beleuchtungsanwendungen für Wohngebäude fordern einen hohen Integrations- und Wirkungsgrad, einen hohen Leistungsfaktor, eine lange Lebensdauer, Dimmbarkeit sowie niedrige Systemkosten und einen geringen Bauteileaufwand.

ST bietet ein breites Portfolio an hochintegrierten Offline-Wandlern mit Leistungen bis zu 15 W, wobei jedes IC einen Leistungs-MOSFET mit Steuerungs- und Schutzfunktionen auf einem Chip enthält. Die Bausteine mit einer Durchbruchspannung von 800 V decken die meistverwendeten Topologien auf dem Markt ab (Buck, Buck-Boost und Flyback). Dabei arbeiten die speziell für LEDs vorgesehenen Offline-Treiber HVLED805, HVLED807PF und HVLED815PF mit einem hohen Leistungsfaktor und primärseitiger Konstantstrom/Konstantspannungsregelung (PSR-CC/CV – siehe Bild 1). Auf ein sekundärseitiges Regelungs-IC und einen Optokoppler kann verzichtet werden, was die Kosten senkt. Die Offline-Wandlerfamilie Viper-Plus Series eignet sich ebenfalls als LED-Treiber.

Für Flyback-Topologien werden die Überspannungs-Schutzbausteine der Serie STRVS empfohlen und für die Klemmschaltung die Dioden der STTH-Serie (600 bis 1200 V), während die Schottkydioden der STPS-Familie und die Feldeffekt-Gleichrichter der Ferd-Reihe sehr gut als Ausgangsgleichrichter einsetzbar sind. Der geringe Leckstrom der STRVS-Produkte, das niedrige V_F/I_R-Verhältnis der Ausgangsdioden und das gute V_F/t_rr-Verhältnis der STTH-Bausteine bürgen für die Zuverlässigkeit und Effizienz der Flybackwandler.

Dank der hohen Leistungsdichte (bis zu 61 V und 3 A) der als LED-Treiber konzipierten Gleichspannungswandler LED5000 und LED60000 (jeweils mit Controller und MOSFET auf einem Chip) kann ST Lösungen für LED-Tauschleuchtmittel für MR16-Halogenlampen anbieten. Weiterhin gibt es ein großes Angebot an System Evaluation Boards für Anwendungen in Wohngebäuden (Bild 2).

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Gewerbliche Anwendungen und Architekturbeleuchtungen benötigen in der Regel mehr als 20 W, weiterhin fordern sie einen hohen Leistungsfaktor und Wirkungsgrad, eine kostengünstige Lösung sowie die Möglichkeit, wahlweise einen oder mehrere LED-Strings mit Fernüberwachung einzusetzen.

Im Fall eines einzelnen Strings wird meist die Flyback-Topologie bevorzugt. Der mit primärseitiger Konstantstrom-Regelung (PSR-CC) arbeitende Offline-Flyback-LED-Controller HVLED003D mit eingebauter Dimmfunktion (0 – 10, PWM und Triac) steuert den einzelnen String direkt an, ohne dass in der Schaltung ein Optokoppler oder ein sekundärseitiger Regler benötigt wird. Als zugehöriges Haupt-Schaltelement sind die Leistungs-MOSFETs der Serie MDmesh K5 zu empfehlen, und hier insbesondere die Versionen mit Durchbruchspannungen von 800, 900 und 950 V. Die für hart schaltende Topologien geeignete Serie MDmesh K5 hat einen sehr geringen R_DS(on), eine geringe Gateladung und niedrige Kapazität.

Für die Klemmschaltung werden die gleichen Bauteile empfohlen wie für Anwendungen in Wohngebäuden. Als Ausgangsgleichrichter kommen die STPS-Schottkydioden, die Feldeffekt-Gleichrichter der Ferd-Familie und die schnellen STTH-Dioden für ≥200 V in Frage.

Die Stromversorgungsarchitektur für mehrere LED-Strings besteht zunächst aus einer Hauptversorgung (meist ein Flybackwandler), die eine konstante Gleichspannung für die nachfolgenden Strings bereitstellt (Bild 3).

Der Offline-LED-Controller HVLED001/A mit primärseitiger Konstantspannungsregelung (PSR-CV) und Dimmfunktion (0-10, PWM) steht als Flybackwandler zur Verfügung. Wegen der PSR-CV-Regelung kommt die Schaltung ohne Optokoppler und ohne sekundärseitigen Regler aus. Leistungs-MOSFETs, Ausgangsdioden und die Klemmschaltung für diesen Flybackwandler sind die gleichen, die bereits für die Lösung mit einem String beschrieben wurden.

Die sich anschließenden mehreren Strings lassen sich analog oder digital regeln. Für eine analoge Implementierung gibt es die als LED-Treiber ausgelegten, aus Controller und MOSFET auf einem Chip bestehenden DC/DC-Abwärtswandler LED2000, LED2001, LED5000 und LED6000 (Bild 4).

Der neue Current-Mode-LED-Controller HVLED0002, der nach einem Fixed-Off-Time-Algorithmus (FOT) arbeitet und auf der Reverse-Buck-Topologie (Bild 5) beruht, kommt ebenfalls in Frage. In dieser Topologie sorgen die für Spannungen von 60 bis 100 V ausgelegten Leistungs-MOSFETs Strip-FET F7 (empfohlen werden die Typen ST*N6F7 und ST*N10F7) dafür, dass alle Lösungen sehr effizient und zuverlässig sind. Diese MOSFET-Familie bietet einen äußerst geringen R_DS(on), eine optimierte Body-Diode mit niedrigem Q_rr-Wert, eine ebenfalls optimierte intrinsische Kapazität und ein gutes Verhältnis zwischen C_rss und C_ss.

Die empfohlenen Ausgangsdioden für die Buck- und Reverse-Buck-Topologie sind identisch mit jenen, die für die Lösungen mit einem String erwähnt wurden.

Für das digitale Management der Strings mit der Reverse-Buck-Topologie (Bild 6) bietet ST ergänzend zu den Gatetreibern PM88 oder TD35 unter der Bezeichnung STLUX eine neue Serie spezieller digitaler Beleuchtungscontroller an. Hinzu kommen die leistungsfähigen STM32-Mikrocontroller. Leistungs-MOSFETs und Ausgangsdioden sind hier identisch mit jenen, die bereits im Zusammenhang mit der analogen Implementierung erwähnt wurden.

Es gibt ein großes Angebot an System Evaluation Boards für gewerbliche Anwendungen mit einem und mehreren LED-Strings. Eine Auswahl ist in Bild 7 zu sehen.

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Hohe Energieeffizienz, lange Lebensdauer, Fernsteuerbarkeit, kleine Abmessungen und ein erweiterter Temperaturbereich (-40 °C) sind die wichtigsten Anforderungen auf dem Markt für LED-Straßenbeleuchtungen. Hier sind meist mehr als 75 W Leistung erforderlich.

Geht es um einen String, kann eine digitale Implementierung der primärseitigen Regelung (PSR-CC) gewählt werden. Dabei folgt nach einem PFC-Regler (Leistungsfaktor-Korrektur) eine HB-LC-Resonanzstufe (Bild 8).

In diesem Fall basiert die LED-Treiberarchitektur auf den zwei Stufen PFC und HB-LC wie in Bild 8 dargestellt. Ein einziges digitales IC reicht zur Steuerung beider Stufen aus. ST bietet unter der Bezeichnung STLUX eine neue Serie spezieller digitaler Beleuchtungscontroller sowie leistungsfähige Mikrocontroller der Reihe STM32. Für die PFC-Stufen gibt es die Low-Side-Gatetreiber PM88 und TD35, während für die LC-Stufe die High-Side-Treiber L638, L639 und L649 in Frage kommen.

Für die beiden Stufen werden unterschiedliche Leistungs-MOSFETs empfohlen:

• PFC (Boost): Die MDmesh-M2-Serie mit 600 bis 650 V Durchbruchspannung oder die 600-V-Serie MDmesh M2-EP. Beide Familien zeichnen sich durch äußerst geringe Q_g-Werte aus und sind für kleine Lasten optimiert. M2-EP ist speziell für hohe Schaltfrequenzen vorgesehen.
• HB-LC: Die MDmesh-DM2-Serie mit 500 bis 600 V Durchbruchspannung, die Serie MDmesh M2 mit 600 V Durchbruchspannung oder die 600-V-Serie MDmesh M2-EP. Die DM2-Serie zeichnet sich durch eine intrinsische Diode mit verbessertem t_rr-Wert und Beständigkeit gegen steile Spannungsspitzen (dV/dt) aus.

Für die Ausgangsgleichrichtung wird die schnelle Serie STTH*06 für die PFC-Stufe (TM und CCM) empfohlen, während die Siliziumkarbid-Dioden der Reihe STPSC nur für die PFC-CCM-Stufe empfohlen wird. Dagegen werden für die HB-LC-Stufe dieselben Ausgangsdioden vorgeschlagen wie für Ein-String-Anwendungen im gewerblichen Bereich.

Die Stromversorgungsarchitektur für mehrere Strings besteht aus einer Hauptversorgung, die eine konstante Busspannung bereitstellt, sowie den sich daran anschließenden mehreren Strings (Bild 9). Die aus einem PFC-Controller in Verbindung mit einem LLC-Resonanzwandler bestehende Haupt-Leistungsstufe stellt die konstante Busspannung zur Verfügung. Dagegen erfolgt die Ansteuerung der einzelnen LED-Strings mit mehreren Buck- oder Reverse-Buck-Wandlern.

Als Leistungs-MOSFETs für die PFC- und die HB-LLC-Stufe werden die gleichen Bausteine empfohlen wie für die entsprechenden Stufen der Ein-String-Lösung. Für die Buck- und Reverse-Buck-Schaltungen können dagegen die für 60 bis 100 V ausgelegten Leistungs-MOSFETs der Serie Strip-FET F7 verwendet werden. Bei den Ausgangsdioden werden für die HB-LLC-, Buck- und Reverse-Buck-Schaltungen die STPS-Schottkydioden, die Feldeffekt-Gleichrichter Ferd und die Dioden der Serie STTH für ≥200 V empfohlen. Für die PFC-Stufe kommen bereits für Anwendungen mit einem String genannte Bauelemente in Frage. ST bietet analoge und digitale Lösungen für beide Stufen (Stromversorgung und LED-Ansteuerung).

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Bei den PFC-Controllern, die ST für Ausgangsleistungen bis 250 W anbietet, handelt es sich um die Transition-Mode-Familie (TM) L6562A, L6564 und L6563, (Low-, Medium- und High-End-ICs). Für höhere Leistungen dagegen gibt es die im Continuous Conduction Mode (CCM), das heißt im nicht lückenden Betrieb arbeitenden Bausteine L498 und L4984D. Mit speziellen Controllern, den Low- und High-End-ICs L6599A und L6699, lässt sich die HB-LLC-Resonanzschaltung steuern. Der neue Kombi-Controller STCMB1, der die Treiber für die PFC- und die HB-LLC-Stufe einschließt, lässt sich zur Vereinfachung der Schaltung nutzen (Bild 9).

Für das Management mehrerer LED-Strings sind die als LED-Treiber konzipierten Buck-Wandler LED5000 und LED6000 (Bild 4) mit hoher Leistungsdichte geeignet, ebenso wie der neue Current-Mode-LED-Controller HVLED002 auf Basis eines Fixed-Off-Time-Algorithmus (FOT) für die Reverse-Buck-Topologie (Bild 5).

Bei digitalen Lösungen müssen zwei digitale ICs verwendet werden – eines für die Primärseite (PFC und HB-LLC) und ein weiteres für die Sekundärseite. Alle Reverse-Buck-Schaltungen zur Ansteuerung der LED-Strings sind in Bild 10 dargestellt.

Das Angebot von ST für diese beiden Digital-ICs wurde bereits für die Anwendung mit einem String beschrieben. Für die Reverse-Buck-Architektur der Sekundärseite können jedoch auch die Mikrocontroller der STM8-Familie verwendet werden.

Die empfohlenen Low-Side-Gatetreiber für die PFC- und die Reverse-Buck-Stufe sind der PM88 oder der TD35, während für die High-Seite die Bausteine L638, L639 und L649 für die HB-LLC-Stufe verwendet werden können.

Es gibt ein umfangreiches Angebot an System Evaluation Boards für Straßenbeleuchtungen mit einem oder mehreren Strings, von denen einige in Bild 11 zu sehen sind. Für Straßenbeleuchtungsanwendungen eignen sich auch die in Bild 11 gezeigten Boards Steval-ILL074V1/V2 (analoge 60-W-Stromversorgung für LED-Treiber) und Steval-ILL077V1 (digitaler 60-W-LED-Treiber für mehrere Strings).

Das Softwaretool eDesign Suite

Das benutzerfreundliche, umfassende Softwarepaket eDesign Suite hilft Kunden bei der Definition ihrer Anforderungen. Die Vorgaben der Applikation werden dazu in geeignete Lösungen auf Basis der Produktpalette von ST umgesetzt. Aus folgenden Elementen besteht das Paket:

1. Der intelligente Simulator und die Systemdesign-Engine (Bild 12) machen Vorschläge zu Produkten und Topologien für verschiedene Anwendungen (Stromversorgung, Photovoltaik, Batterielader, LED-Beleuchtung, Signalaufbereitung, HF-Design).

2. Die intelligenten Auswahlhilfen unterstützen bei der Wahl der am besten geeigneten Produkttypen (zum Beispiel Dioden) für die jeweilige Anwendung.
3. Die Konfiguratoren reduzieren die Implementierungszeit und den Aufwand zum Festlegen der Produktparameter für die jeweilige Anwendung.

Unter den angeführten Anwendungen unterstützt das Tool LED-Beleuchtungen mit einer breiten Auswahl an Produkten und Topologien.

(ah)