Treiberlösungen für LED-Beleuchtungen Die optimale Topologie für einen LED-Treiber

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

Die Wahl der richtigen Wandler-Topologie hat Einfluss auf das LED-Treiber-Design. Wir zeigen, wie sich ganz allgemein die für eine gegebene Anwendung effektivste Lösung finden lässt.

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Die Topologie der Treiberbausteine: In Hinblick auf die Abmessungen von LED-Treiberkomponenten bieten 5-W-B10 und 7-W -A19-LED-Lampen nur wenig Platz für den Treiber.
Die Topologie der Treiberbausteine: In Hinblick auf die Abmessungen von LED-Treiberkomponenten bieten 5-W-B10 und 7-W -A19-LED-Lampen nur wenig Platz für den Treiber.
(Power Integrations)

Um optimale LED-Treiber für industrielle, kommerzielle und Consumer-Anwendungen entwickeln zu können, muss man die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung genau kennen und verstehen. Damit trotz ständig zunehmendem Kostendruck und steigenden Energieeffizienz-Anforderungen eine gute Leistungsfaktorkorrektur, geringe Netzoberwellen (THD, Total Harmonic Distortion) und eine genaue Ausgangsstromregelung erzielt werden kann, ist die Wahl der am besten geeigneten Schaltertopologie erforderlich. Da keine Standards existieren, welche die LED-Lastspannung regeln, gibt es keine eindeutig beste Topologie.

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In diesem Artikel erläutern wir die Faktoren, mit welcher Topologie sich ein preisgünstiger Offline-Spannungswandler bestimmen lässt. Außerdem untersuchen wir, in welchen Fällen eine Buck-, Boost-, Buck-Boost-, Tapped-Buck- oder Flyback-Topologie die optimale Lösung ist. Zuerst klären wir, was einen effektiven LED-Treiber kennzeichnet. LED-Stromversorgungen werden in Anwendungen eingesetzt, die ganz besondere Herausforderungen mit sich bringen.

LEDs produzieren hohe Leistungsdichten. Eine LED-Lampe mit einer Helligkeit, die mit der einer 60-W-Glühlampe vergleichbar ist, hat eine elektrische Leistungsaufnahme von etwa 10 Watt. Vorausgesetzt, es wird eine Hochleistungs-LEDs neuester Technologie eingesetzt, die einen Lichtstrom von etwa 80Lumen pro Watt liefert. Der Wirkungsgrad der LEDs selbst beträgt weniger als 30%, wogegen die besten Treiberschaltungen Wirkungsgrade von etwa 85 bis 90% erreichen.

Die Abmessungen der LED-Treiberbausteine

Der ungenutzte Energieanteil geht als Wärme verloren, die – anders als bei einem Netzadapter – in unmittelbarer Umgebung der Stromversorgung abgegeben wird. Innerhalb der Lampe muss eine Verlustleistung von bis zu 10 Watt bewältigt werden. Trotz gerippter Kühlkörper/Gehäuse, die einen Teil der Wärme abführen, herrschen im Inneren einer LED-Lampe immer noch Temperaturen von etwa 100 °C. Das hat Auswirkungen auf die Bauteile des LED-Treibers und zwingt die Stromversorgungsentwickler, die Energieeffizienz ihrer Produkte zu maximieren, um deren eigene Wärmeproduktion möglichst gering zu halten.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass die Stromversorgung für eine Glühlampenersatz-LED in ein Gehäuse mit sehr kleiner Grundfläche passen muss. Der Markt für Glühlampenersatz lässt dem Treiber nur sehr wenig Platz – in der Regel muss er in der Fassung untergebracht werden, die früher als Montagesockel für die Glühbirne diente. Während größere PAR-Lampen ausreichend Platz für eine Treiberlösung auf einer einzigen Leiterplatte bieten, lassen Lampen im A19- oder B10-Format (die den Großteil der heute eingesetzten LED-Lampen ausmachen) nur sehr wenig Platz für die Stromversorgung. Das begrenzt die Auswahl der Treibertopologien – hier kommen nur einfache Topologien in Frage.

Stromversorgungen für LED-Lampen, die für den Anschluss an Wechselspannungsnetze mit 110 VAC oder 230 VAC vorgesehen sind, müssen einen Leistungsfaktor von 0,7 oder 0,9 aufweisen. Hinzu kommt, dass in Europa strenge Netzoberwellen- (THD) Grenzwerte nach EN61000-3-2 C und D gelten. Nordamerika, Europa und Asien stellen hohe Leistungsanforderungen an LED-Beleuchtungslösungen. Glühlampen sind hinsichtlich Leistungsfaktor und Netzoberwellen völlig unproblematisch, da sie nahezu ideale ohmsche Lasten darstellen.

Bei einem LED-Treiber hingegen müssen geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um einen annähernd sinusförmigen Eingangsstromverlauf zu erreichen. Hier wird typischerweise eine Valley-Fill-Schaltung verwendet oder mit aktiver Leistungsfaktorkorrektur gearbeitet. Zudem müssen LED-Beleuchtungslösungen kostengünstig sein, wenn sie sich am Markt durchsetzen sollen. Zudem haben Fortschritte in der LED-Technologie zu einem Preisverfall bei LEDs geführt. Dadurch stellen die Kosten der Stromversorgungen einen entsprechend größeren Anteil der Materialgesamtkosten dar.

Bei der Wahl der passenden Treiber-Topologie müssen ein möglichst hoher Wirkungsgrad, geringe Kosten, Eingangsspannungsbereich, Ausgangsspannungsbereich, Spannungsverhältnis, Netzoberwellen (THD), Leistungsfaktor (PF, Power Factor), regulatorische Anforderungen und die Kosten von isolierten Topologien im Vergleich zu nicht-isolierten berücksichtigt werden.

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.

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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