Großer Schritt

Redakteur: Jan Vollmuth

Auf die Verstärkung kommt es an: Die Steuerung der Beleuchtungsstärke weißer lichtemittierender Dioden (LEDs) erfordert eine Spannungsversorgung von näherungsweise 3,6 V. Die meisten

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( Archiv: Vogel Business Media )

Auf die Verstärkung kommt es an: Die Steuerung der Beleuchtungsstärke weißer lichtemittierender Dioden (LEDs) erfordert eine Spannungsversorgung von näherungsweise 3,6 V. Die meisten portablen Geräte werden jedoch von einem Li-Ionen-Akku gespeist, der einen Spannungsbereich von 4,2 V (voll aufgeladen) bis 2,8 V (entladen) bereitstellt. Dies verhindert die direkte Ansteuerung der LEDs aus der Batterie. Die Alternative: Die Batteriespannung mittels Aufwärtswandler verstärken, um LEDs während der gesamten Batterielebensdauer konsistent zu speisen.

LED-Treiber in LC-Displays erfüllen dabei zwei Aufgaben: Erstens dienen sie dazu, die Beleuchtungsstärke jeder einzelnen LED exakt zu steuern und abzugleichen. Dies maximiert die Uniformität der Hintergrundbeleuchtung des Displays. Zweitens können LED-Treiber die Batteriespannung hochregeln. Dies wiederum liefert die Spannung, um die LEDs über die gesamte Lebensdauer der Batterie gleich bleibend anzusteuern und damit die Betriebsdauer des jeweiligen Gerätes zu verlängern.

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Ladungspumpen ermöglichen elegante Lösungen

Mit induktivitätsbasierten LED-Treiber werden in der Regel seriell angeordnete LEDs angesteuert, was zu einer einheitlichen Abstimmung der einzelnen LEDs führt. Sie können zudem einen variablen, optimierten Verstärkungsfaktor liefern und damit die Effizienz der Spannungswandlung deutlich steigern. Ihr Nachteil: Die benötigten externen Komponenten sind groß und teuer, was außerdem mit unerwünschter elektromagnetischer Störbeeinflussung (EMI) einhergeht. Unförmige Induktivitäten erfordern eine hohe Bauform, die für portable Geräte oft ungeeignet ist.

Ladungspumpenbasierte LED-Treiber ermöglichen hingegen eine elegante und unter Einsatz extrem kleiner externer Chipkondensatoren einfach zu implementierende Lösung. Damit eignen sie sich ideal für immer kleinere und flachere portable Geräte.

Mithilfe individueller Stromkanäle der Ladungspumpe werden die parallel angeordneten LEDs mit einheitlich abgestimmten Treiberströmen einzeln angesteuert. Die Spannungsverstärkung erfolgt dabei in diskreten Stufen, basierend auf der Zahl der Betriebsarten (Multiplikationsfaktoren). Die Zahl der Verstärkungsstufen bestimmt zusammen mit der aktuellen Batteriespannung die Leistungseffizienz der Ladungspumpe.

Herkömmliche Ladungspumpen bieten meist eine so genannte Tri-Mode-Verstärkung (1x, 1,5x, 2x) auf Basis von zwei externen Kapazitäten. Diese Bauelemente erhöhen den Verstärkungsfaktor schrittweise, abhängig von der fortschreitenden Entladung der Batterie. Die maximal verfügbare Ausgangsspannung für jede Betriebsart bzw. jeden Verstärkungsfaktor ergibt sich aus der eingangsseitigen Batteriespannung multipliziert mit dem aktuellen Verstärkungsfaktor. Die Spannung, die das Maß der erforderlichen LED-Treiberspannung überschreitet, geht entweder in der Ladungspumpe oder im Stromregler verloren und reduziert die Effizienz der Spannungswandlung.

Quad-Mode-Architektur zu den Kosten einer Tri-Mode-Lösung

Die Effizienz lässt sich mit zusätzlichen Multiplikationsfaktoren verbessern, um die überschüssige Ausgangsspannung über die Batterielebensdauer zu minimieren. Einige Ladungspumpen bieten zu diesem Zweck einen vierten Multiplikationsfaktor (1,33x) an. Allerdings steigt damit bei konventionellen Lösungen die Zahl externer Komponenten und Verbindungen. Daher sind sie teurer als Tri-Mode-Ladungspumpen.

Die mit dem Faktor 1,33 erzielte Effizienz ist in etwa vergleichbar mit der von induktivitätsbasierten Wandlern – allerdings mit dem Vorteil der geringeren Kosten und Platzbedarfes ladungspumpenbasierter Lösungen. Darüber hinaus minimiert der 1,33x-Modus die quasi überschüssige Spannungsverstärkung und in Folge die Verlustleistung sowie die thermische Belastung des Bauteils (Bild 3).

Eine neue adaptive und stufenweise geschaltete Ladungspumpenarchitektur realisiert nun ebenfalls den Verstärkungsfaktor 1,33 – zu den Kosten einer Tri-Mode-Lösung. Das Ergebnis dieser in den USA zum Patent angemeldeten Architektur ist eine Quad-Mode-Ladungspumpe mit den Multiplikationsfaktoren 1x, 1,33x, 1,5x und 2x. Sie liefert eine höhere Effizienz, während der Bedarf an zusätzlichen Komponenten sinkt – und damit Platzbedarf und Kosten. Zudem reduziert der 1,33x-Modus die Eingangsschaltströme an der Batterie. Dies minimiert das mögliche Rauschen der Versorgungsspannung, was für tragbare Geräte wie z.B. Mobiltelefone wichtig ist.

Zusätzlicher Multiplikationsfaktor ohne dritten Kondensator

Das konventionelle 1,33x-Modell realisiert den zusätzlichen Multiplikationsfaktor mit drei externen Kondensatoren und zwei Phasen (laden und pumpen). Die neue 1,33x-Schaltarchitektur von Catalyst Semiconductor (Bild 1) implementiert hingegen den gewünschten Verstärkungsfaktor durch Integrieren einer dritten Schaltphase und macht so den dritten externen Kondensator überflüssig.

Mit dieser Architektur werden in der ersten Phase die beiden Kondensatoren C1 und C2 durch serielles Schalten an die Eingangsspannung aufgeladen.

Maximale Verstärkung durch 3-phasigen Betrieb

Die zweite Phase speist den Ausgang, indem der obere Kondensator C1 vom Eingang zum Ausgang verbunden und gleichzeitig der zweite Kondensator C2 unverbunden erdfrei geschaltet wird. In der dritten Phase wird der Ausgang ein weiteres Mal gespeist, indem wieder beide Kondensatoren in Serie vom Eingang an den Ausgang geschaltet werden, C1 jedoch invertiert: Der Pluspol von C1 wird an den Eingang und der Pluspol von C2 an die Ausgangsspannung geschaltet. Durch diesen 3-phasigen Betrieb wird C1 auf ein 1/3 der Eingangsspannung und C2 auf 2/3 der Eingangsspannung geladen und auf diese Weise eine maximale Verstärkung der Ausgangsspannung von 4/3 der Eingangsspannung erzielt.

Die neue Quad-Mode-Architektur wurde in den LED-Treiber CAT3636 integriert (Bild 2). Der Baustein umfasst sechs LED-Stromsenken, die in drei eigenständigen Bänken konfiguriert sind. Jede dieser Bänke besteht jeweils aus einem Paar von zwei enggekoppelt geregelten und abgestimmten Ausgangskanälen. Volle Programmierbarkeit und Abblendregelung (Dimming) wird mittels 1-Draht-Schnittstelle erreicht (Adresse und Daten), sodass die einzelnen LED-Bänke individuell eingestellt werden können. Dies reduziert die Zahl externer Anschlüsse zusätzlich, während die Hintergrundbeleuchtung von Farb-LCDs für Haupt- und Sub-Displays oder Kombinationen von RGB LEDs sowie Blitzfunktionen in portablen Produkten weiter flexibel gesteuert werden können. Der Baustein ist in einem 3 mm × 3 mm kleinen, RoHS-konformen TQFN-Gehäuse untergebracht.

Mit der adaptiven, fragmentalen Quad-Mode-Ladungspumpe CAT3636 verfügen Systementwickler über eine Treiberlösung, die so einfach gehandhabt werden kann wie ladungspumpenbasierte Designs und gleichzeitig so effizient ist wie induktivitätsbasierte Lösungen – ohne Zusatzkosten oder weiteren Platzbedarf auf der Leiterplatte.

Catalyst Semiconductor

Tel. +1 408 5421000

*Anthony Russell ist Director of Engineering und Chris Bartholomeusz ist Analog Design Engineer bei Catalyst Semiconductor, Sunnyvale.

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