Flexibilität von LED-Treibern vergrößern

Bild 1: Typische Anwendung des LED-Treibers MAX16832 für Leuchtdioden mit großer Helligkeit (HB LED). Maxim

Häufig sind LED-Treiberschaltung als Abwärtswandler aufgebaut, die als einfache Stromquelle in Anwendungen implementiert wird, in denen die Spannung über den LED-Ketten kleiner als die Eingangsspannung ist. Durch eine veränderte Beschaltung des Treiberbausteins mit externen Komponenten lässt sich die Topologie von der Aufwärtswandler- in die Abwärtswandler-Betriebsart ändern. Damit lassen sich auch LED-Ketten betreiben, deren Betriebsspannung größer als die verfügbare Eingangsspannung ist.

Obwohl es viele verschiedene Aufwärtswandlerschaltungen gibt, ermöglicht diese Topologie, dass ein einziger Abwärtswandlerbaustein sowohl Abwärts- als auch Aufwärtswandlerfunktionen unterstützt und somit die Zahl der erforderlichen Bauteile sowie die Gesamtkosten reduziert. Da die Verwendung des Abwärtswandler-ICs für den Aufwärtswandlerbetrieb eine größere, nicht akzeptable Schwankung des LED-Stromes mit verursachen könnte, lässt sich die Schaltung mit einem zusätzlichen Regelkreis erweitern und damit der Strom bei Bedarf regeln.

Bild 2: Als Zweipunktregler mit Hysterese erzeugt der Abwärtswandler einen sägezahnförmigen Stromverlauf. Maxim

Treiber-ICs für High-Brightness-LEDs

Die Abwärtswandler MAX16822/32 von Maxim Integrated sind 2-MHz-LED-Treiber für High-Brightness-Leuchtdioden (HB-LED), welche einen Leistungs-MOSFET und eine Highside-Strommessung integriert haben (Bild 1). Beide Wandlertypen arbeiten an Eingangsspannungen zwischen 6,5 und 65 V und unterscheiden sich lediglich im Ausgangsstrom, der MAX16822 liefert 500 mA, der MAX16832 leistet 1 A.

In der Beschaltung sorgt derMesswiderstand R_sense für einen konstanten Strom durch die LED-Kette. Für Ströme unterhalb des Sollwerts schaltet der MOSFET im MAX16832 ein und lädt die Speicherdrossel L1, während der Strom im Leistungspfad stetig ansteigt. Bei Überschreitung des Sollwertes schaltet er wieder ab, wobei der Strom über die Diode D1 weiter fließt und dabei wieder abnimmt.

Bild 3: Eine Umplatzierung weniger externer Komponenten macht aus dem Abwärtswandler einen Aufwärtswandler. Maxim

Mit entsprechender Hysterese ergibt sich ein selbstoszillierendes System, das einen sägezahnförmigen LED-Strom erzeugt (Bild 2). Der Kondensator C3 in Bild 1 wirkt als Puffer, sodass durch die LEDs quasi ein Gleichstrom fließt. Dieses Schaltungsprinzip bezeichnet man als Highside-Aufwärtswandlertopologie.

Vom Abwärts- zum Aufwärtswandler

Ein Abwärtswandler lässt sich nur einsetzen, wenn die Spannung über den LEDs niedriger als die Eingangsspannung ist. Bei zu geringer Eingangsspannung hingegen, ist ein Aufwärtswandler erforderlich. Aufwärtswandler arbeiten üblicherweise mit einem Lowside-MOSFET. Durch Neuanordnung von D1, C3 und der LEDs lässt sich die Highside-Abwärtswandlertopologie auf einfache Weise in einen Aufwärtswandler wandeln (Bild 3). Die Stromregelung funktionert dabei im Prinzip wie beim Abwärtswandler.

Bild 4: Beim Aufwärtswandler wird der Eingangsstrom vor dem LED-Strom geregelt. Maxim

Der Unterschied ist aber, dass durch die Umplatzierung von D1, C3 und LEDs anstatt des LED-Stromes der Ladestrom von L1 geregelt wird. Bild 4 zeigt den Verlauf der Ein- und Ausgangsströme. Der LED-Strom ist eine durch C3 gefilterte Variante des Ausgangsstromes. Im Ergebnis hängt der LED-Strom nicht nur vom geregelten Eingangsstrom (I_IN) ab, sondern auch von der Eingangsspannung (V_IN), der Ausgangsspannung (V_LED) und vom Wirkungsgrad (η) des Wandlers:

• I_LED = ( η · V_IN · I_IN ) / V_LED

MAX8515 als nachgeschalteter Stromregler

Falls die sich daraus ergebende Abweichung des LED-Stromes nicht akzeptabel ist, lässt sich der Aufbau mit einer zusätzlichen Schaltung, basierend auf dem MAX8515 (ein 0,6-V-Shunt-Regler mit großem Eingangsspannungsbereich für isolierte DC/DC-Wandler) zum Regeln des LED-Stromes erweitern (Bild 5).

Bild 5: Für einen stabileren LED-Strom lässt sich der Aufwärtswandler aus Bild 3 mit dem Shunt-Regler MAX8515 erweitern. Maxim

Der MAX8515 verhält sich wie ein Fehlerverstärker und vergleicht die Rückkopplungsspannung V_FB mit einer internen Referenzspannung von 0,6 V.

V_FB ist direkt proportional zum LED-Strom:

• V_FB = R2 · I_LED

Da der Ausgang des Verstärkers am Pin TEMP_I zwar Strom aufnehmen, aber keinen Strom abgegeben kann, liefert der Pin TEMP_I selbst einen kleinen Konstantstrom.

Den Unterschied zwischen beiden Strömen gleicht der Kondensator C2 aus. Falls der MAX8515 mehr Strom aufnimmt als der Pin TEMP_I liefert, sinkt die Spannung. Umgekehrt gilt das Gleiche. Der Sollwert des Eingangsstromes I_IN ist proportional zu dieser Spannung (Bild 6). Wenn V_FB kleiner ist als die Referenzspannung von 0,6 V, fließt deshalb kein Strom in den Baustein und die Spannung am Pin TEMP_I steigt. Dies wiederum erhöht die Eingangsleistung und somit den LED-Strom sowie V_FB. Falls V_FB größer ist als die Referenz, sinkt die Spannung am Pin TEMP_I, um den LED-Strom zu reduzieren.

LED-Stromregelkreis minimiert Abweichungen

Bild 6: Der MAX8515 regelt den LED-Strom anhand der Spannung von R2 und bewirkt über den Pin TEMP_I am MAX16832 eine Verschiebung der Schaltschwellen und damit eine Änderung des Eingangsstroms. Maxim

Die folgenden Parameter und Eigenschaften gelten für den Regelkreis des LED-Stromes (Bild 7). Die Referenzspannung des MAX8515 von 0,6 V dient als Eingangsspannung des Regelkreises. V_FB ist die Ausgangsspannung. Diese ist direkt proportional zum LED-Strom, wobei gilt: I_LED = V_FB/R2.

G1 ist die Verstärkung des MAX8515 und des Widerstands R2. Zu beachten ist, dass die Verstärkung des MAX8515 aufgrund der invertierten Arbeitsweise des NPN-Transistors eigentlich negativ ist; dies wird durch das Wechseln des Plus- und Minus-Zeichens am Addierer ausgeglichen. Der Kondensator C2 dient als Integrator. Mit G2 ist der Verstärker zwischen der Spannung an TEMP_I und der Rückkopplungsspannung bezeichnet. Der Regelkreis regelt V_FB auf 0,6 V:

• I_LED = 0,6 V / R2

Um die Aufwärtswandlerschaltung korrekt zu konfigurieren, sollten Entwickler den Messwiderstand R_SENSE so wählen, dass der maximale Eingangsstrom etwas höher ist als notwendig. In diesem Fall reduziert der Regelkreis den Eingangsstrom, um den richtigen LED-Strom zu erhalten. Der Wert von R_SENSE lässt sich wie  folgt abschätzen:

• R_SENSE < ( η · V_IN · 200 mV ) / (I_LED · V_LED)

Bild 7: Mit der Aufrechterhaltung der Rückkopplungsspannung VFB von 0,6 V startet der Regelkreis zum Regeln des LED-Stromes. Maxim

Für den zusätzlichen Messwiderstand R2 gilt:

• R2 = 0,6 V I_LED

Überspannungsschutz erforderlich

Beim Ausfall einer LED in Form eines Kurzschlusses verringert sich die Spannung an der LED-Kette und damit die Ausgangsspannung des Treibers. Weil die Schaltung jedoch über R_SENSE stromgeregelt arbeitet, funktionieren die übrigen LEDs ohne Beeinträchtigung weiter. Wird eine LED jedoch durch einen Fehler hochohmig und unterbricht den Laststromkreis, arbeitet der LED-Treiber im Leerlauf, wodurch der Ausgangskondensator C3 auf eine zu hohe Spannung weit über dem Betriebsspannungsbereich der Schaltung aufgeladen wird, was zu Bauteilschäden und Schaltungsausfall führen kann.

Bild 8: R4, R5, R6 und Q2 bilden einen Überspannungsschutz, der die maximale Ladespannung von C3 begrenzt, wenn eine LED ausfällt und den Lastkreis unterbricht. Maxim

Hier kann die Grundschaltung um einige zusätzliche Bauteile erweitert werden, um sie vor solchen Situationen zu schützen (Bild 8). Sobald die Gate-Spannung an Q2 ihren Einschaltschwellenwert erreicht, bringt Q2 den Pin DIM am Wandler MAX16832 auf ein niedrigeres Potenzial. Dies verhindert automatisch, dass der Wandler schaltet. In diesem Fall wird die Ausgangsspannung langsam abfallen bis Q2 abgeschaltet ist. Dieser Ablauf wiederholt sich, sodass sich die Ausgangsspannung um den Überspannungsschwellenwert bewegt – dieser wurde so gewählt, dass er sich im Betriebsbereich des Wandlers befindet.

Dimensionierung der Bauteile

Bei der Verifizierung und Bewertung der Gesamtleistung der Ab- und Aufwärtswandler helfen Testschaltungen – eine Schaltung mit, die andere ohne die zusätzliche LED-Stromregelung. Beide Schaltungen sind so ausgelegt, dass sie an einem 12-V-Eingang acht LEDs (V_LED ≈ 24 V) mit 200 mA betreiben werden. Der Wirkungsgrad  beträgt etwa 95 %.

Tabelle 1: Mit nur drei zusäzlichen Bauteilen lässt sich dem LED-Treiber eine Sromregelung nachschalten. Maxim

Bei einer Ausgangsleistung von

   P_out = 24 V · 200 mA = 4,8 W

ist eine Eingangsleistung von

   4,8 W / 0,95 ≈ 5,05 W

erforderlich.

Mit einer 12-V-Spannungsversorgung sollte der Eingangsstrom

  I_IN = 5,05 W / 12 V ≈ 421 mA

betragen, was einen Messwiderstand

   R_SENSE = 200 mV / 421 mA = 470 mΩ

erfordert. Zur Regelung des LED-Stromes in der Schaltung muss

Bild 9: Ohne Stromregelung variiert der LED-Strom abhängig von der Eingangsspannung (blau); der MAX8515 hält den LED-Strom konstant (rot). Maxim

   R2 = 600 mV / 200 mA = 3Ω

sein. Um die Eingangsspannung auf 8 V zu verringern, sollte der Messwiderstand folgende Bedingung erfüllen:

   R_SENSE < ( 0.95 · 8 V · 200 mV ) / (200 mA · 24 V) ≈ 317 mΩ

Gewählt wird ein Wert von 300 mΩ.

Zur Demonstration des Mehrwerts der LED-Stromregelung ist in Bild 9 der LED-Strom für beide Schaltungen über einen Eingangsspannungsbereich von 8 V bis 16 V aufgezeichnet. Erkennbar ist, dass bei der Schaltung ohne LED-Stromregelung der LED-Strom seinen Zielwert von 200 mA nur erreicht, wenn die Eingangsspannung bei ihrem Nominalwert von 12 V liegt. Für andere Werte verläuft der Strom linear mit der Eingangsspannung. Bei geregelter Eingangsspannung kann die Abweichung V_IN sehr klein sein und zu einer vertretbaren LED-Stromschwankung führen.

LED-Stromregelung für konstanten Strom

Bild 10: Das Bode-Diagramm der LED-Treiberschaltung mit Stromregelung bestätigt, dass der positive Phasenrand der Schaltung für einen stabilen Betrieb genügt. Maxim

Ein Vergleich der Ergebnisse macht deutlich, dass die Schaltung mit LED-Stromregelung diesen Effekt nicht zeigt – allerdings weist sie einen konstanten Strom über den gesamten Eingangsspannungsbereich auf. Der zusätzliche Regelkreis zeigt seinen Vorteil deutlich beim Regeln des LED-Stromes über den gesamten Eingangsspannungsbereich gemäß der Zielwertvorgabe. Nur bei 8 V liegt er etwas darunter. Vermutlich war der Wirkungsgrad aufgrund von Verlusten in R2 ein wenig niedriger als die geschätzten 95 %. Eine Messung zeigte, dass der Eingangsstrom bei V_IN = 8 V den Maximalwert erreichte. Eine einfache Lösung wäre, R_SENSE auf 270 mΩ zu verringern.

Ein anderes Leistungsmerkmal der LED-Treiberschaltung des Abwärtswandlers ist die systembedingte Stabilität des Regelkreises, da es keine Rückkopplung gibt. Mit einem zusätzlichen Regelkreis entsteht eine Rückkopplung, was zu einer Instabilität führen könnte. Ein Bode-Diagramm zur Darstellung der Stabilität des Regelkreises macht deutlich, dass die Schaltung einen Phasenrand von etwa 47° aufweist – dies ist für einen stabilen Betrieb ausreichend (Bild 10).

(hb/jwa)