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Bild 2: Herkömmliches PWM-Dimmen – Boost-Schaltung und LED-Stromsenke werden gleichzeitig aktiviert und deaktiviert.
Bild 3: PWM-Dimmbetrieb mit Hysterese-Steuerung – Die Boost-Schaltung und die LED-Stromsenken werden gleichzeitig aktiviert; die Boost-Schaltung bleibt aber für eine Weile aktiviert, um Uout aufzubereiten.
Bild 4: PWM-Dimmbetrieb mit Pre-Emptive-Boost-Steuerung – Die LED-Stromsenken bleiben ausgeschaltet, bis der Induktivitätsstrom ausreicht, um ein Absinken der Ausgangsspannung zu verhindern.
Bild 5: PEB-Verzögerung des A80602 – Widerstand versus Verzögerung
Bild 6: Nicht optimierte PEB-Verzögerung – Verzögerung = 4,8 µs, Uout-Schwankung = 260 mV
Bild 7: Optimierte PEB-Verzögerung – Verzögerung = 2,8 µs, Uout-Schwankung = 150 mV
Bild 1: LED-Treiber der Serie 8060x
Bild 8: Ausgangsspannungswelligkeit – Hysterese-Steuerung versus PEB-Steuerung

Die PWM-Steuerung wird häufig zum Dimmen von LEDs verwendet, wobei der Durchschnittsstrom durch eine oder mehrere LED-Stränge geregelt wird – und zwar durch die Änderung des Tastgrades eines Steuerimpulses am Eingang des LED-Treibers.

Die Vorteile der PEB-Steuerung gegenüber der herkömmlichen Hysterese-Steuerung sind:

  • Eine geringere Welligkeit der Ausgangsspannung ermöglicht kleinere Ausgangskondensatoren, was die Größe und Kosten des Systems verringert.
  • Die geringere Welligkeit der Ausgangsspannung eliminiert auch hörbare Geräusche in Keramik-Ausgangskondensatoren.
  • Größere PWM-Dimmverhältnisse (kleinere Pulsbreiten) bei gleichbleibender Steuerung

PWM-Steuerungsmethoden

Herkömmliche Boost-Steuerung: Ändert das PWM-Steuersignal den logischen Zustand, schaltet ein herkömmlicher Boost-Control-LED-Treiber seine Boost-Schaltung und LED-Stromsenken gleichzeitig ein oder aus. Nach einem positiven PWM-Signalübergang dauert es mehrere Schaltzyklen, bis der Induktivitätsstrom den stationären Wert erreicht hat. Während dieser Zeit wird der LED-Strom hauptsächlich aus dem Ausgangskondensator entnommen. Dies verringert die Ausgangsspannung und kann zu hörbaren Geräuschen des MLCC-Ausgangskondensators und einer erheblichen Ausgangsspannungswelligkeit führen.

Darüber hinaus begrenzt dieser Ausgangsspannungsabfall wie kurz die Einschaltzeit des PWM-Signals sein kann, da der Ausgang eine ausreichende Zeit zur Wiederherstellung benötigt. Zu kurze Einschaltzeiten bieten dem Boost-Wandler nicht genügend Zeit, um die Energie im Ausgangskondensator wieder aufzufüllen, was zu einem Abfall der Ausgangsspannung und einem Verlust der LED-Stromregelung führt. Dies schränkt das erreichbare PWM-Dimmverhältnis stark ein.

Hysterese-Steuerung/Boost-Erweiterung: Eine Verbesserung der oben genannten herkömmlichen Boost-Steuerung besteht darin, die Boost-Schaltung für eine Zeitspanne nach dem Abschalten der LED-Stromsenke zu verlängern, was die Ausgangsspannung effektiv leicht über die normale Regelspannung anhebt. Eine Hysterese-Steuerung erhöht dabei die Uout-Regelspannung um einen bestimmten Betrag, sobald Uout einen bestimmten Wert unterschreitet. Diese Art der Steuerung (Boost-Extension-Steuerung) ermöglicht den Betrieb mit einem kürzeren PWM-Signal als bei einer herkömmlichen Boost-Steuerung, was zu einem größeren Dimmverhältnis, aber immer noch kleineren Verhältnis führt, als es mit der PEB-Steuerung möglich ist. Ähnlich wie bei der herkömmlichen Boost-Steuerung weist die Hysterese-Steuerung zu Beginn der Boost-Schaltung große Ausgangsspannungseinbrüche auf, die zu einer hohen Welligkeit der Ausgangsspannung und zu hörbaren Geräuschen führen können.

Pre-Emptive-Boost-Steuerung: Die von Allegro Micro Systems patentierte PEB-Steuerung sorgt für eine erheblich geringere Ausgangsspannungswelligkeit. Sie ermöglicht auch den Betrieb mit einem zeitlich kürzeren PWM-Signal und damit PWM-Dimmverhältnisse von bis zu 15.000:1.

Die PEB-Steuerung verzögert den Start der LED-Stromsenken gegenüber dem Start der Boost-Schaltung. Damit steigt der durchschnittliche Induktivitätsstrom, bevor die Stromsenken einschalten und Strom anfordern. Das Ergebnis ist ein anfänglich leichter Anstieg der Ausgangsspannung – der vorverstärkte Induktivitätsstrom führt jedoch zu einem vernachlässigbaren Abfall der Ausgangsspannung, sobald die Stromsenken eingeschaltet werden.

Um eine genaue PWM-Steuerung aufrechtzuerhalten, wird auch nach dem Übergang des PWM-Steuersignals auf Low eine identische PEB-Verzögerung angewendet. Bei diesem Regelverfahren schalten sich sowohl die Boost-Schaltung als auch die Stromsenken gleichzeitig ab.

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