Treiber-Basisschaltungen Den richtigen HB-LED-Treiber finden

Autor / Redakteur: Tam Nguyen* / Kristin Rinortner

High-Brightness-LEDs sind preiswert, wenn man langfristig denkt. Kennt man die unterschiedlichen Ansteuerungstechniken dieser Dioden, erleichtert dies die Auswahl von HB-LEDs erheblich. Der Beitrag gibt eine Übersicht zu verschiedenen Typen von HB-LED-Treibern sowie deren Konfigurationen und zeigt die jeweiligen Vor- und Nachteile auf.

Firmen zum Thema

( Archiv: Vogel Business Media )

Leistungsstarke HB-LEDs (HB - High Brightness) werden zunehmend in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Man findet sie in Konsumerprodukten, wie zum Beispiel in Blitzgeräten, Projektoren und Hintergrundbeleuchtungen von LCD-Fernsehern. Ebenfalls werden sie in industriellen Anwendungen, wie Straßenbeleuchtungen, Ampelanlagen und Innenraumbeleuchtungen verwendet. In der Automobilindustrie gewinnen HB-LEDs sowohl im Innenraum als auch als Rücklicht, Bremslicht, Blinklampe und in der letzten Zeit sogar als Scheinwerfer an Bedeutung.

Ein Argument für den Einsatz von HB-LEDs ist der erheblich geringere Energieverbrauch im Vergleich zu Energiesparlampen und konventionellen Glühlampen. Laut Hersteller Cree LED Lighting spart man z.B. mit einem LED-Typ LR6 bei der gleichen Leuchtstärke im Vergleich zu einer 65-W-Glühlampe bis zu 85% Energie und im Vergleich zu einer Energiesparlampe bis zu 50%. Der zweite Vorteil ist die lange Lebensdauer von 50.000 Stunden gegenüber Energiesparlampen mit 10.000 Stunden.

Leuchtdioden benötigen eine Stromreglung, da die Toleranz des Spannungsabfalles bei LEDs groß ist. So beträgt z.B. bei einer weißen HB-LED wie der DS23 von Philips der Spannungsabfall zwischen 2,79 und 3,99 V. Dies verursacht große Schwankungen beim Diodenstrom. Bei einer Spannungsregelung kann es passieren, dass so der maximale zulässige Strom überschritten wird und dieser die LED zerstört. Außerdem kann die Lichtintensität mit einer Stromregelung besser gesteuert werden.

Möglichkeiten der Stromregelung bei LEDs

Tabelle: Eigenschaften der Linearregler-Konfiguration und der Schaltregler-Konfiguration (Archiv: Vogel Business Media)

Es gibt zur Zeit zwei Stromreglungskonfigurationen für LEDs: die Linearregler-Konfiguration und die Schaltregler-Konfiguration als Aufwärtsregler oder Abwärtsregler. Jedes dieser Prinzipien hat ihre Vor- und Nachteile (Tabelle 1).

Um den optimalen Regler zu finden, sollte man jedoch zuerst einige grundsätzliche Überlegungen anstellen:

  • Welche Versorgungsspannung (geregelt oder ungeregelt) steht zur Verfügung und wie groß ist der Spannungsbereich?
  • Wie groß ist das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung?
  • Wie hoch ist der maximale benötigte LED-Strom?
  • Wie viele und welche Typen von LEDs werden eingesetzt?
  • In welcher Schaltkonfiguration (linear oder parallel) werden die LEDs beschaltet? Wie hoch ist der Spannungsabfall pro LED?
  • Soll das Licht gedimmt werden? Welche Schnittsstellen stehen für das Dimmen zur Verfügung? Analoge (linear) oder digitale (I2C, SPI, PWM) Reglungen, wenn ein Mikrocontroller zur Verfügung steht?
  • In welcher Umgebung (interne oder externe, Umgebungstemperatur, Load Dump) soll die LED eingesetzt werden?

Basisschaltungen von LED-Treibern

Die Basisschaltungen von LED-Treibern (Linearregler und Schaltregler) beinhalten im Allgemeinen einen oder mehrere Messwiderstände zum Erfassen und Einstellen des LED-Stromes, einen oder mehrere Differenzverstärker für die Umwandlung des erfassten LED-Stroms in eine Spannung, eine interne Referenz als Bezugspunkt für den gemessenen LED-Strom, eine oder mehrere Stromquellen (MOSFET und Treiber) zum Regeln des LED-Stromes und einen Temperatursensor zum Schutz der Dioden bei hoher Hitze.

Um die Qualität zu verbessern und die Schaltung zu schützen, weisen die LED-Treiber zusätzlich Elemente bzw. Funktionen wie Kurzschlussschutz, Überspannungsschutz, Opencircuit-Detektion, Softstart-Funktion, Wave Shaping, Fade-Up/Fade-Down-Funktion auf.

Linearreglerkonfiguration

Bild 1a: LED-Treiber in Linearreglerkonfiguration am Beispiel des MAX16815 (Archiv: Vogel Business Media)

Ein LED-Treiber wie der MAX16815 (Bilder 1a und 1b) arbeitet in der Linearreglerkonfiguration, hat einen Eingangsspannungsbereich von 6,5 bis 40 V und liefert einen Ausgangsstrom von 35 bis 100 mA. Er besitzt einen PWM-Eingang für die Dimmerfunktion.

Bild 1b: Blockdiagramm eines LED-Treibers in Linearreglerkonfiguration (MAX16815) (Archiv: Vogel Business Media)

Man erkennt im Blockdiagramm die fünf Funktionen der Basisschaltungen wieder. Über den Messwiderstand wird der maximale LED-Strom eingestellt, indem man mit dem PWM-Signal den LED-Strom auf einen gewünschten Wert regelt. Je größer das PWM-Verhältnis ist, desto heller leuchtet die LED und umgekehrt. Auch wenn der Schaltkreis mit einem PWM-Signal gedimmt wird, nimmt das menschliche Auge das Flickern bei einer PWM-Taktfrequenz ab 500 Hz nicht mehr wahr.

Verlustleistung einer LED

Die Verlustleistung einer LED steigt, je größer das Verhältnis zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung ist und je höher der LED-Strom ILED ist. Die maximale Verlustleistung Pmax des Bausteins muss kleiner als die maximale zulässige Verlustleistung des entsprechenden Gehäuses sein. So hat z.B. das TDFN-Gehäuse des MAX16815 eine maximale zulässige Verlustleistung Pmax = 1,4545 W.

Da TDFN-Gehäuse einen großen Massenkontakt aufweisen, kann die entstehende Verlustleistung (Wärme) besser abgeleitet werden. Die richtige Kontaktierung und ein gutes Layout sind daher sehr wichtig. Zusätzlich schaltet eine integrierte thermische Schutzschaltung den Treiber ab, wenn die definierte Junction-Temperatur TJ = 159 °C (typisch) überschritten wird.

Schaltreglerkonfigurationen

Bei Anwendungen, in denen ein hoher LED-Strom benötigt wird und das Verhältnis zwischen Eingangsspanung und Ausgangsspannung (proportional zur Versorgungsspannung für die LEDs) groß ist, sind LED-Treiber in den Schaltreglerkonfigurationen besser geeignet. Bei Applikationen, in denen die Eingangsspannung kleiner als die Ausgangsspannung ist, kann man nur die Schaltreglerkonfiguration einsetzen.

Die hohe Effektivität ist der Hauptvorteil von Schaltreglern gegenüber Linearreglern. Im Vergleich zu der Linearreglerkonfiguration liegt die Ausgangsspannung nicht wesentlich höher als der gesamte Spannungsabfall über die Dioden.

Der Hauptverlust bei Schaltreglern stammt vom Schaltwiderstand des MOSFETs, der Schaltfrequenz, dem Reihenwiderstand der Spule und vom Spannungsabfall an der Schottky-Diode. Üblicherweise ist der gesamte Verlust aber geringer als bei Linearreglern (bei hohem LED-Strom).

Auf der anderen Seite benötigen Schaltregler jedoch mehr Platz (durch die Spule und die externen MOSFETs), sind komplexer und die Schaltfrequenz kann EMV-Probleme verursachen. Mit der Wave-shaping-Funktion reduziert man dieses Problem, da beim IC das Schaltsignal abgerundet wird.

LED-Treiber in der Schaltreglerkonfiguration werden ähnlich beschaltet und beinhalten die gleichen Komponenten (MOSFET, Schottky-Diode, Spulen) wie Standardschaltregler. Statt der Spannung wird hier jedoch der Strom geregelt.

Aufwärts- und Abwärtsschaltkonfigurationen

Bild 2: LED-Treiber in der Aufwärts-Schaltreglerkonfiguration (Beispiel MAX16384) (Archiv: Vogel Business Media)

Abhängig vom Verhältnis zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung unterscheidet man Aufwärts- oder Abwärtsschaltkonfigurationen. Man setzt den LED-Treiber mit der Aufwärtsschaltkonfigaration (Bild 2) in Anwendungen ein, in denen die Eingangsspannung niedriger als die Ausgangsspannung ist. Der Eingangsspannungsbereich in diesem Beispiel liegt zwischen 4,75 und 28 V, der Baustein kann einen Strom bis 3 A treiben. Der Schaltregler arbeitet im PMW-Modus und der Schaltfrequenzbereich von 100 kHz bis 1 MHz kann entweder am RT-SYNC-Pin von einer externen Quelle (z.B. Mikrocontroller) synchronisiert oder über einen externen Widerstand eingestellt werden. Dies gibt dem Entwickler mehr Freiheit bei der Auswahl der Spulen und besonders beim Einstellen der passenden Schaltfrequenz, die seine Schaltung nicht stört. Eine hohe Schaltfrequenz reduziert die Spulengröße.

Bild 3: LED-Treiber in der Abwärts-Schaltreglerkonfiguration (Beispiel MAX16820) (Archiv: Vogel Business Media)

Bei Anwendungen, in denen die Eingangsspannung größer als die LED-Versorgungsspannung ist, kann man LED-Treiber in Abwärtskonfiguration (Bild 3) einsetzen. Der mittlere Spulenstrom wird in diesem Beispiel ebenfalls am Messwiderstand RSENSE gemessen. Der Wert wird in der internen Schaltung zurückgekoppelt und der LED-Strom auf den gewünschten Wert geregelt. Den Strom misst man auf der „High Side“ und nicht auf der „Low Side“. Die Störsignale an Masse (besonders bei hohem Strom) werden im Vergleich zur Strommessung auf der „Low Side“ nicht in den Regelkreis eingekoppelt. Man bekommt ein genaueres Messergebnis am Widerstand RSENSE und damit auch eine genauere Regelung. Der Eingangsspannungsbereich in diesem Fall reicht von 4,5 bis 2 8 V, die Ausgangsleistung beträgt 25 W und die maximale Schaltfrequenz 2 MHz.

*Tam Nguyen ist als Applikationsingenieur bei Maxim in München tätig.

(ID:319611)