LED-Stromversorgung Besserer Wirkungsgrad einer LED-Stromversorgung

Autor / Redakteur: Andrew Smith * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Mit einem LLC-Wandler soll sich das Design von wirkungsgradstarken Stromversorgungen für Straßenbeleuchtungen mit LEDs vereinfachen.

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LED in der Straßenbeleuchtung: Ein besserer Wirkungsgrad der LED-Stromversorgung senkt die Wartungskosten
LED in der Straßenbeleuchtung: Ein besserer Wirkungsgrad der LED-Stromversorgung senkt die Wartungskosten
(Bild: VBM-Archiv)

Außenbeleuchtungen auf LED-Basis erfordern eine geregelte AC/DC-Stromversorgung mit einer Ausgangsleistung zwischen 1 und über 500 W, die Abhängig von der Anwendung ist. Damit sich die Investition rechnet, muss die Stromversorgung genauso wie die Lichtquelle einen sehr hohen Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer aufweisen. Die eigentliche LED sollte schon aus Kostengründen eine lange Lebensdauer haben. Da Straßenbeleuchtungen oft sehr schwer zugänglich sind, wirkt sich eine lange Lebensdauer hier ebenfalls positiv aus.

Für dieses Umfeld bietet ein LLC-Wandler, der mit einer energieeffizienten PFC-Aufwärtswandlerstufe kombiniert ist, bei Ausgangsleistungen von über 100 W den höchsten Wirkungsgrad. Um ein zuverlässiges Design zu erhalten, müssen allerdings einige spezifische Herausforderungen beachtet werden.

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Bei einem LLC handelt es sich um einen Resonanzwandler mit einem Halbbrückenschalter, der in Serie mit einem Schwingkreis liegt. Bei einem LLC-Wandler bilden der "obere" und der "untere" Treiber zusammen eine Halbbrückenschaltung, die über einen Serienkondensator mit einem Transformator verbunden ist. Der Kondensator bildet zusammen mit der Induktivität des Transformators die resonante Last. Die beiden Treibertransistoren der Halbbrücke leiten abwechselnd, mit einer kleinen Totzeit zwischen den leitenden Phasen.

Schwankungen der Treiber-Parameter und parasitäre Elemente an den Gates der Halbbrücken-MOSFETs können Timing-Fehler verursachen. Diese können zur Folge haben, dass beide MOSFETs gleichzeitig leiten (Shoot-through) und dadurch zerstört werden (Bild 1). Das Risiko eines Shoot-through ist der wichtigste Faktor, der die Schaltfrequenz von LLC-Wandlern nach oben hin begrenzt.

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Der Reference Design Report RDR-239 von Power Integrations beschreibt ein HiperLCS-Design für Außenbeleuchtungsanwendungen. Der Wandler liefert 6,25 A Ausgangsstrom bei 24 V mit >95% Wirkungsgrad bei Volllast. Das Reference Design Kit RDK-239 umfasst eine funktionsfähige Stromversorgung, Bauteilmuster, eine unbestückte Leiterplatte, ein Datenblatt, einen ausführlichen Engineering Report, die Design-Software PI Expert und weiteres Dokumentationsmaterial. Der IC unterstützt Timing und geringe Parasitäreffekte. Die HiperLCS-Technologie erschließt Möglichkeiten bei der LED-Straßen- und Flächenbeleuchtung, indem sie Wandler mit höherem Wirkungsgrad und somit eine weitere Verringerung des Energieverbrauchs ermöglicht.

Parameterschwankungen besser kontrollieren

Power Integrations geht mit seiner Produktfamilie HiperLCS dieses Problem an. Die ICs vereinen in einem monolithischen IC alle Funktionsblöcke und Schutzschaltungen, die für einen LLC-Wandler benötigt werden, und ermöglichen Ausgangsleistungen bis 440 W. Die ICs enthalten zwei 530-V-Leistungs-MOSFETs, die beiden Treiber, einen LLC-Controller sowie Schaltungen für Unter- und Überspannungsabschaltung und Brown-in/brown-out-Schutz.

Bei HiperLCS-ICs sind die Ausgangs-Leistungs-MOSFETs, die Treiber, der Pegelumsetzer und der Controller auf ein und demselben Chip untergebracht. Dadurch lassen sich die Parameterschwankungen des gesamten Systems besser kontrollieren und parasitäre Elemente kompensieren. Außerdem werden die Totzeit und die Tastverhältnissymmetrie bei jedem einzelnen IC während der Fertigung getrimmt; dadurch bleibt der Tastverhältnissymmetriefehler innerhalb von ±1%. Die genaue Kontrolle des Treiber-Timings ist Vorraussetzung, um die HiperLCS-ICs mit einer Schaltfrequenz von 500 kHz im kontinuierlichen Normalbetrieb und einer maximalen Schaltfrequenz von 1 MHz zu betreiben. Diese hohe Schaltfrequenz ist wichtig, um preiswertere SMD-Keramikkondensatoren statt sperriger Elektrolytkondensatoren im Ausgangskreis zu verbauen. Keramikkondensatoren werden in Anwendungen wie Flutlichtanlagen bevorzugt, weil sie keine Parameterdrift aufweisen und nicht zu vorzeitigen Ausfällen neigen – im Gegensatz zu Elektrolytkondensatoren, die bei hohen Temperaturen schnell ausfallen können. Ein weiterer Vorteil der hohen Schaltfrequenz besteht darin, dass wesentlich kleinere Transformatoren und Ausgangsinduktivitäten verwendet werden können. Damit sind flache Designs mit einer Höhe von 11 mm möglich. Die Tastverhältnis-Trimmung gewährleistet eine nahezu perfekte Tastverhältnissymmetrie an den Ausgangsdioden und den beiden Hälften der Sekundärwicklung des Transformators. Dadurch kann auf eine Überdimensionierung der Ausgangsdioden zum Ausgleich von Strom-Unsymmetrien verzichtet werden.

Die zwei Nutzungsarten derHiperLCS-Bausteine

Bei unsymmetrischem Tastverhältnis müssen die Ausgangsdioden für den Worst-Case-Spitzen stromdimensioniert werden. Auch der Transformator muss für den höheren der beiden Ströme ausgelegt werden. Zudem würde der Wirkungsgrad leiden, weil die höheren Spitzenströme höhere Durchlassverluste (I²R) zur Folge hätten. Das Bild 2 zeigt die wesentlichen Elemente einer vollständigen Stromversorgung mit einem HiperLCS-IC als Ausgangsstufe. Am AC-Eingang sorgt ein CAPZero-IC dafür, dass bei anliegender Nennspannung der Stromfluss durch die X-Kondensator-Entladewiderstände unterbrochen wird. Das spart zusätzlich Energie. Das HiperPFS-IC hat eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung und liefert 380 VDC an die HiperLCS-Ausgangsstufe. Die ICs der Familie TOPSwitch-JX zeichnen sich durch geringen Standby-Stromverbrauch aus und haben zwei Funktionen: Erstens ist es mit ihnen möglich, die Hauptstromversorunge ferngesteuert ein- und auszuschalten, und zweitens liefert der IC während der Zeit, da sich die Hauptstromversorgung im Standby-Betrieb befindet, eine Betriebsspannung von 12 VDC für die HiperPFS- und HiperLCS-ICs.

Die beiden Nutzungsarten der HiperLCS-ICs

HiperLCS-ICs bieten zwei Nutzungsarten. Die Resonanzsteuerungsschaltung zeichnet sich durch geringe Leistungsverluste aus und ermöglicht Designs mit Wirkungsgraden von über 97% bei einer Schaltfrequenz von 66 kHz (Nennwert). Wenn es in erster Linie auf geringe Kosten und kleine Abmessungen ankommt, muss man mit einer hohen Schaltfrequenz arbeiten. Die hier vorgestellte Lösung bietet bei einer hohen Schaltfrequenz immer noch einen hohen Wirkungsgrad, beispielsweise 96% bei 250 kHz – der Frequenz, bei der die Schaltung die maximale Ausgangsleistung abgeben kann. In Kombination mit einem HiperPFS-Eingangsteil für die Leistungsfaktor (Bild 2) bietet das Design einen Gesamtwirkungsgrad von über 89% bei Volllast.

Genaues Modellierungstool hilft beim LED-Design

Die ICs erlauben dem Entwickler, Parameter wie maximale/minimale Schaltfrequenz und Totzeit vorzugeben und so das Design für die jeweilige Anwendung zu optimieren. Auch die Frequenz, bei der die Stromversorgung in den Burst-Modus übergeht, kann vom Entwickler vorgegeben werden. Auf diese Weise lässt sich der Leistungspfad für maximalen Wirkungsgrad optimieren und erreichen, dass der Ausgang auch im Leerlauf bei einem Anstieg der Eingangsspannung geregelt bleibt.

Angesichts dieser zahlreichen Optionen, zwischen denen der Entwickler wählen kann, ist es wichtig, zur Simulation des Schaltungsverhaltens und zur automatischen Dimensionierung des Transformators und der Induktivitäten ein hochgenaues Modellierungstool zu verwenden. Die Xls Expert Suite in der Version 8 ist ein Tool, mit dem man in Echtzeit entwerfen und modellieren kann und in dem das HiperLCS-Design voll unterstützt wird. Die Software bietet eine vollständige First-Pass-Design-Lösung sowohl für den Transformator als auch den Resonanz-Leistungspfad. Mit einer Genauigkeit des Schaltermodells von Xls von 3% unterscheidet es sich von den meisten vereinfachten AC-Modellen, die sich mit einer Genauigkeit von 15% begnügen. Die erhöhte Genauigkeit macht mehrere Prototyp-Iterationen überflüssig und verkürzt dadurch den Entwicklungszyklus.

Sorgfalt beim Leiterplatten-Routing und Bauteileplatzierung

Wenn hohe Ströme mit einer Frequenz von 500 kHz geschaltet werden, muss man beim Leiterbahnen-Routing und bei der Platzierung der Bauteile sehr sorgfältig vorgehen – nur dann lässt sich eine optimale Performance aus dem Design herausholen. Bestimmte Pins wie FEEDBACK oder DEAD-TIME/BURST FREQUENCY sind rauschempfindlich und müssen daher entkoppelt werden.

Der Transformator ist eine Quelle sowohl für starke di/dt- als auch dv/dt-Störsignale. Di/dt-Störsignale können magnetisch in empfindliche Schaltungsteile einstreuen; dv/dt-Störsignale können kapazitiv einstreuen. Kapazitives Übersprechen lässt sich verringern, indem man den Transformatorkern auf Masse legt. Das magnetische Streufeld um den Transformator herum lässt sich leider nicht mit vertretbarem Aufwand reduzieren, ohne dass dadurch der Wirkungsgrad drastisch abnimmt. Empfindliche Leiterbahnen und Bauteile, wie der Optokoppler, sollten möglichst weit vom Transformator entfernt platziert werden, damit sie keine Störsignale aufnehmen. Das Datenblatt zu den HiperLCS-ICs enthält weitere, detaillierte Informationen zur Bauteilplatzierung und zum Leiterbahnen-Routing. Das Bild 3 zeigt ein Beispiel für ein Leiterplattenlayout.

* Andrew Smith ist Senor Product Manager für die LED-Produkte von Power Integrations.

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