LEDs zeichnen sich im Vergleich zu konventionellen Lichtquellen durch einen hohen Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer aus und sind damit sehr umweltfreundlich. Dadurch hat dieser Lampentyp höchste Priorität, wenn es um die Reduzierung des Energieverbrauchs bei internen oder externen Beleuchtungen geht. Wenn es um die Energie-Einsparung geht, sollte natürlich auch das Schaltnetzteil zur Stromversorgung der LED-Lampe einen hohen Wirkungsgrad haben. Der Wirkungsgrad sollte allerdings nicht nur im Normalbetrieb, sondern auch im Standby-Betrieb der Schaltnetzteile hoch sein. Auf Grund gesetzlicher Regelungen soll der Standby-Stromverbrauch künftig auf unter 1 W oder sogar 300 mW begrenzt werden. Bei LED-Beleuchtungsanwendungen ist eine zusätzliche Stromversorgung speziell für den Standby-Betrieb nicht üblich, hauptsächlich, weil bei Beleuchtungsanwendungen ein derartiger Standby-Modus nicht vorgesehen ist.

Hoher Wirkungsgrad auch im Standby-Betrieb

Schaltnetzteile bleiben zur Versorgung der Lampen in der Regel mit dem Stromnetz verbunden und verbrauchen damit auch Leistung, selbst wenn die LED der Lampe fehlt oder defekt ist. Dies ist ein entscheidender Aspekt, warum auch bei Beleuchtungsanwendungen die Standby-Leistung relevant ist. Mit Hilfe eines mit 120 W spezifizierten zweistufigen Schaltnetzteils wird die vorgeschlagene Schaltung untersucht, wobei ein Standby-Stromverbrauch von weniger als 1 W über einen weiten Eingangsbereich erreicht werden kann.

Zweistufige Konfiguration

Bei Stromversorgungen für LED-Straßenbeleuchtungen wird im Allgemeinen eine zweistufige Konfiguration genutzt, um sowohl eine hohe Nennleistung zu erreichen als auch den Leistungsfaktor zu verbessern. Diese besteht aus einem PFC-Block für die erste Stufe und einem nachfolgenden DC/DC-Wandler für die zweite Stufe. Im mittleren Leistungsbereich um 100 W ist der CRM-Modus (Critical Conduction Mode) das ideale Steuerungssystem für die PFC-Stufe. Für den nachfolgenden DC/DC-Wandler ist bei dieser Nennleistung eine Quasiresonanz-Sperrwandler-Topologie üblich. Der hochintegrierte PWM-Controller (Pulsbreiten-Modulation) verfügt über einen internen Valley-Spannungsdetektor, der sicherstellt, dass die Leistungselektronik in einem weiten Netzspannungsbereich und bei beliebiger Last im Quasiresonanz-Betrieb arbeitet. Zudem werden die Schaltverluste durch eine Minimierung der Schaltspannung am Drain-Pin des Power-MOSFETs reduziert. Um den Standby-Stromverbrauch zu reduzieren und den Wirkungsgrad bei kleiner Last zu maximieren, kommt eine proprietäre Funktion zum Einsatz, die mittels Off-Time-Modulation die Schaltfrequenz reduziert. Zudem wird mit Hilfe einer erweiterten Valley-Spannungsschaltung die Spannung zwischen dem Source- und Drain-Pin des MOSFETs minimiert.

Bild 1: Schaltungsbeispiel für einen Burst-Betrieb der PFC-Stufe.

Bild 1: Schaltungsbeispiel für einen Burst-Betrieb der PFC-Stufe.Fairchild Semiconductor

Dadurch geht die zweite DC/DC-Stufe im Leerlauf in den Burst-Betrieb und erreicht so einen sehr niedrigen Standby-Stromverbrauch. Die meisten bestehenden PFC-Controller verfügen nicht über einen derartigen Burst-Betrieb, hauptsächlich, weil die PFC-Stufe ursprünglich für Consumer- oder Display-Anwendungen vorgesehen war. In diesen Anwendungen ist die Hilfsleistungsstufe separat, so dass die Spannungsquelle die PFC- und die DC/DC-Stufen versorgt. Bei LED-Beleuchtungsanwendungen wird die Hilfsleistungsstufe üblicherweise nicht angepasst, so dass die PFC-Stufe abgeschaltet werden sollte, da sonst ein Standby-Stromverbrauch von weniger als 1 W nicht möglich ist.

Burst-Betrieb der PFC-Stufe

In zweistufigen Schaltnetzteilen sollte die PFC-Stufe abgeschaltet werden, um die gesetzlichen Anforderungen im Hinblick auf den Standby-Stromverbrauch erfüllen zu können. Ein entscheidender Grund für das Abschalten der PFC-Stufe ist, dass die meisten PFC-Controller keinen Burst-Betrieb unterstützen. Wenn der PFC-Controller den Burst-Betrieb nicht unterstützt, dann arbeitet die PFC-Stufe kontinuierlich und verbraucht selbst im Leerlauf Leistung. Deswegen ist das Abschalten der PFC-Stufe die einzige praktische Möglichkeit bei zweistufigen Schaltnetzteilen mit PFC-Controllern. Allerdings treten beim Neustart der PFC-Stufe sehr hohe Einschaltströme auf und verursachen einen hohen Spannungs- oder Stromstress bei den Leistungsschaltern, wie den MOSFETs. Auch kann es bei LED-Beleuchtungen im Konstantstrom-Betrieb zum Flackern kommen. Um die gesetzlichen Vorgaben für den Standby-Stromverbrauch ohne diese Probleme erfüllen zu können, ist ein neuer Ansatz erforderlich. Eine Möglichkeit diese Nebenwirkungen des vollständigen Abschaltens der PFC-Stufe zu vermeiden, ist die Implementierung eines Burst-Betriebs für die PFC-Stufe.

Mit einer einfachen zusätzlichen Schaltung lässt sich der PFC-Betrieb mit dem Quasiresonanz-Flyback-DC/DC-Wandler synchronisieren. Damit kann die PFC-Stufe in den Burst-Modus gehen, wenn der DC/DC-Wandler den Burst-Betrieb startet. Die PFC-Stufe verlässt den Burst-Betrieb, sobald der Sperrwandler der zweiten Stufe den Betrieb im Burst-Modus beendet. Bild 1 zeigt, wie diese zusätzliche Schaltung arbeitet. Die Vorspannungsversorgung für die PFC-Stufe wird über eine Rückkopplung des Quasiresonanz-Flyback-DC/DC-Wandlers gesteuert. Wenn die Rückkopplungsspannung des Sperrwandlers im Leerlauf sinkt, wird die Versorgungsspannung für die PFC-Stufe reduziert und der PFC-Controller stoppt den Betrieb. Bild 2 zeigt die Signale bei einer Laständerung von Volllast auf Leerlauf und zurück zu Volllast. Die PFC-Stufe startet den Burst-Betrieb, sobald der Sperrwandler der zweiten Stufe in den Burst-Betrieb geht, und stoppt den Burst-Betrieb, um sich mit dem Sperrwandler zu synchronisieren. Durch die Implementierung eines Burst-Betriebs in die PFC-Stufe lassen sich die hohen Einschaltströme vermeiden, die potenzielle Probleme verursachen und zudem der Standby-Stromverbrauch deutlich reduzieren.

Bild 2: Start des Burst-Betriebs (links) und zurück zum Volllastbetrieb (rechts).

Bild 2: Start des Burst-Betriebs (links) und zurück zum Volllastbetrieb (rechts).Fairchild Semiconductor

Um den Burst-Betrieb der PFC-Stufe untersuchen zu können, wurde eine mit 120 W (48 V/2,5 A) spezifizierte Baugruppe namens LEB-016 für eine LED-Straßenbeleuchtung mit dem CRM-PFC-Controller (Critical Conduction Mode) FAN7930B, dem Quasiresonanz-Flyback-Controller FAN6300A mit Burst-Funktion und der vorgeschlagenen PFC-Steuerschaltung entwickelt. Die Schaltung funktioniert, wie in Bild 2 zu sehen ist, problemlos. Die Messwerte für den Standby-Stromverbrauch bei verschiedenen Netzeingangsspannungen sind in Tabelle 1 dargestellt. Es konnte nachgewiesen werden, dass beim Standby-Stromverbrauch eine Reduzierung von mehr als 80 Prozent über einen weiten Eingangsbereich erreicht wird. Außerdem liegt der Standby-Stromverbrauch bei Netzversorgung bei weniger als 0,3 W.

Tabelle 1: Standby-Stromverbrauch.

Tabelle 1: Standby-Stromverbrauch.Fairchild Semiconductor

Fazit

Es gibt eine einfache aber sehr effektive Möglichkeit, um den Standby-Stromverbrauch von LED-Beleuchtungen mit Schaltnetzteil zu verbessern. Die hier vorgeschlagene Schaltung kann den Burst-Betrieb der PFC-Stufe mit dem DC/DC-Wandler der zweiten Stufe synchronisieren. Dadurch lassen sich auch Probleme durch hohe Einschaltströme beim Abschalten und Starten der PFC-Stufe vermeiden. Die Schaltung ermöglicht außerdem eine deutliche Reduzierung des Standby-Stromverbrauchs. Dies ließ sich mit der Evaluierungskarte verifizieren, zudem konnte der Standby-Stromverbrauch in einem weiten Eingangsbereich auf weniger als 1 W reduziert werden. Diese Methode ist damit sehr attraktiv für LED-Beleuchtungsanwendungen, die normalerweise keine Abschaltung im Standby-Betrieb haben.