Treiberlösungen für LED-Beleuchtungen

Die optimale Topologie für einen LED-Treiber

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Die verschiedenen Topologien bei LED-Treibern im Überblick

Das einfachste Schaltreglerkonzept ist der Buck-Wandler oder auch Abwärtswandler. Er benötigt die wenigsten Bauelemente, kommt mit einem einzigen, sehr einfachen und preiswerten Induktivität aus und hat bietet den höchsten Wirkungsgrad. Die PFC- und CC- (Konstantstrom-)Controller lassen sich in einer einzigen Stufe zusammenfassen. Mit einem solchen Design erreicht man sowohl eine gute Leistungsfaktorkorrektur als auch geringe Netzoberwellen. Dadurch ist die Buck-Wandler-Topologie weiterhin eine brauchbare Option für nicht-isolierte Spannungswandler.

Bei Buck-Wandlern dieses Typs sind der Eingang und der Ausgang nicht galvanisch voneinander getrennt. Damit ein Buck-Wandler funktioniert, muss die Eingangsspannung größer als die Ausgangsspannung sein. Letzteres ist wichtig, wenn man die Netzoberwellen bei der neuesten Generation kombinierter PF/CC-Treiber betrachtet. Es lässt sich zeigen, dass ein solcher Wandler, wenn er am unteren Ende seines Eingangsspannungsbereichs betrieben wird, nur bei Ausgangsspannungen von weniger als etwa 35 VDC die THD-Anforderungen der Standards EN61000-3-2 C/D erfüllen kann. Dieser Grenzwert muss eingehalten werden, damit der Leitwinkel groß genug ist, um den Eingangsstrom so zu formen, damit die THD-Grenzwerte eingehalten werden.

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Beim Leitwinkel versteht man den Teil des Schaltzyklus, während dessen der Schalter leitfähig ist und dadurch die Form des Eingangsstroms beeinflusst werden kann. Beim Betrieb am oberen Ende des Eingangsspannungsbereichs beträgt die maximal zulässige Ausgangsspannung etwa 70 bis 75 Volt. Zudem bieten Buck-Wandler keine gute Regelung, wenn das Ein-/Ausgangsspannungsverhältnis größer als etwa 8:1 ist. Der Grund liegt im begrenzten Tastverhältnisbereich des Controllers.

Der Buck-Boost- oder Abwärts-Aufwärts-Wandler

Die nächste Alternative ist ein Buck-Boost-Wandler. Hier ist der Bauteilaufwand ähnlich wie bei einem Buck-Design, und der Wirkungsgrad ist ebenfalls sehr hoch. Buck-Boost-Wandler sind über einen größeren Bereich möglicher Leitwinkel funktionsfähig und erreichen dadurch auch bei höheren Ausgangsspannungen gute THD-Werte. Die Einschränkungen bezüglich galvanischer Trennung und des tastverhältnisbegrenzten Eingangs-/Ausgangsspannungsverhältnisses sind die gleichen wie bei Buck-Wandlern.

Die letzte LED-Treiber-Kategorie ist der Flyback-Wandler. Mit dieser Topologie ist es möglich, sowohl isolierte als auch nicht-isolierte Implementierungen zu erstellen. Über das Windungsverhältnis des Transformators lassen sich fast beliebige Eingangs-/Ausgangsspannungsverhältnisse realisieren. Die komplexere Wicklungsstruktur verursacht allerdings Mehrkosten. Zudem verursachen die nicht perfekte Kopplung zwischen Primär- und Sekundärkreis sowie die Parasitärkapazität der Primärwicklung zusätzliche Leistungsverluste des Treiberbausteins.

Die meisten isolierten Treiber in den LED-Retrofits sind Flyback-Wandler mit einer Passive-Valley-Fill-Leistungsfaktorkorrekturschaltung oder einer wirkungsgradsteigernden kombinierten CC/PFC-Stufe. Valley-Fill ist zwar für Anwendungen mit einem Leistungsfaktor von 0,7 akzeptabel, verursacht aber einen Wirkungsgradverlust von etwa 8 bis 10%, wenn man damit den für kommerzielle Anwendungen geforderten Leistungsfaktor von 0,9 erreichen will.

Das Flussdiagramm zeigt, wie man systematisch die für die jeweilige Anwendung optimale Wandler-Topologie bestimmt. Die Auswahlstrategie bevorzugt die folgende Auswahlreihenfolge: 1. Buck, 2. Buck-Boost, 3. Tapped Buck und 4. Flyback. Die Reihenfolge ist nach Anforderungen gewichtet; größtmögliche Energieeffizienz und niedrigste Kosten sind die am höchsten gewichteten Anforderungen.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Damit das LED-Treiber-Design schließlich auch bestmögliche Ergebnisse liefert und die Leistungsanforderungen erfüllt werden, ist die Wahl der optimalen Topologie eine zwingende Voraussetzung.

* Andrew Smith ist Senior Product Marketing Manager für Beleuchtungs-Produkte bei Power Integrations und verantwortlich für den LED-Beleuchtungsmarkt.

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