Die Lichtleistung und damit die Leistungsaufnahme von LEDs im Beleuchtungsmarkt nimmt stetig zu. Weiße Power LEDs der 1. Generation benötigen nur 350 mA. Die 2. Generation schon 700 mA. Sogar LEDs mit 1050 mA bis 10 A und mehr sind inzwischen erhältlich. LED-Treiber in kompakter Bauweise für hohe Ströme sind am Markt allerdings schwer zu finden und oft genügen sie nicht allen Anforderungen wie: stufenloses Dimmen von 0 bis 100 Prozent, Spannungsbegrenzung bei offenem Ausgang, Power Good Funktion, sequenzielles starten von mehreren LED-Treibern, Soft Start, Synchronisierung der Schaltfrequenz von mehreren LED-Treibern, flickerfreies Licht, LED-Strom-Tracking mit weiteren LED-Treibern für exakt gleichen Strom durch alle LED-Stränge, Dimmen über Analog, PWM und dimmen mit einem Digital-Analog-Konverter.
Vom Power-Modul zum LED-Treiber
Spannungsgeregelte Schaltregler hingegen sind weit verbreitet, da sie für die Versorgung jeder elektronischen Komponente notwendig sind. Die Realisierung als Power-Modul bietet die Vorteile hoher Integration, kleiner Baugröße, einfachem Design, kurzer Entwicklungszeit und optimale elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Um diese Power-Module als Konstant-Stromquelle verwenden zu können, müssen sie mit einer externen Beschaltung leicht modifiziert werden. Im Folgenden wird am Beispiel eines MagI3C-Power-Moduls beschrieben, wie das auf einfache Weise realisiert werden kann.
Das MagI3C-Power-Modul in der Funktion als Abwärtswandler im Spannungsregelungsbetrieb bekommt durch den Feedback-Spannungsteiler die Information über die aktuelle Ausgangsspannung und kann somit auf Ausgangsspannungsänderungen reagieren. Diese Feedbackspannung wird mit der internen Referenz des Power-Moduls verglichen und die Ausgangsspannung wird so eingestellt, das die Feedbackspannung der internen Referenzspannung entspricht.
Beim Stromregelbetrieb kann der LED-Strom durch einen Widerstand zwischen Masse und Feedback geführt werden. Dieser Widerstand sollte so berechnet sein, dass bei dem gewünschten LED-Strom am Widerstand die gleiche Spannung abfällt, wie die interne Referenzspannung des Moduls. Dabei ist zu beachten, dass die Verlustleistung im Widerstand sehr hoch sein kann. Würde das Referenzdesign so realisiert werden, ergäbe es bei 1,5 A LED-Strom 1,2 W Verlustleistung. Im Referenzdesign beträgt die Verlustleistung aber nur 113 mW.
Das MagI3C-Power-Modul 171021501 wird in diesem Beispiel für die Modifizierung zum LED-Treiber genutzt, da es all die erwähnten gewünschten Funktionen unterstützt. Die Spezifikationen dieses Power-Moduls sind VIN = 7 - 50 V, IOUT = 2,5 A. Für dieses Referenzdesign wurden aufgrund des Ziels einer Realisierung auf einer sehr kleinen Platinen-Fläche VIN = 7 - 24 V und IOUT = 10 mA - 1,5 A gewählt. Der Betrieb bis 50 V und 2,5 A ist mit einer weiter unten beschriebenen Modifikation möglich.
Im vorliegenden Schaltplan ist der Feedback-Spannungsteiler zum Einstellen einer konstanten Ausgangsspannung nicht vorhanden, da er für die Funktion als LED-Treiber nicht notwendig ist. Hier hat der Operationsverstärker IC3a Zugriff auf den Feedback-Pin und kann dadurch die Ausgangsspannung des MagI3C-Power-Moduls beliebig einstellen. Da bei einer Konstantstromregelung die Information des aktuellen LED-Stroms bekannt sein und diese Information mit der internen Spannungsreferenz verglichen werden muss, ist es notwendig die Information des Stroms in eine Spannung zu wandeln.
Dafür wird die LED zwischen den beiden Ausgängen LED+ und LED- angeschlossen. Im Strompfad der LED befindet sich der 50-mΩ-Widerstand R3, der die Information des aktuellen LED-Stroms in eine Spannung wandelt. Bei einem LED-Strom von 1,5 A ergibt sich eine Spannung am Strommesswiderstand R3 von 75 mV. Diese Spannung über R3 ist der Ist-Wert des LED-Stroms und wird auf den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC3a geführt und mit der Spannung am invertierenden Eingang verglichen. Die RC-Glieder R4 und C7 dienen als Filter für höhere Frequenzen wie zum Beispiel die Schaltfrequenz des Power-Moduls. Außerdem schützen sie den Operationsverstärker vor zu hohen Spannungen an seinem Eingang, die von - auch absichtlich herbeigeführten - Kurzschlüssen der Ausgänge LED+ und LED- mit kapazitiven Lasten herrühren.
Externe Steuerspannung am DIM-Eingang nötig
Am DIM-Eingang wird die Steuerspannung beziehungsweise Dimm-Spannung eingestellt. 0 bis 5 V Dimm-Spannung entspricht 0 mA bis 1,5 A LED-Strom. Bei 5 V Dimm-Spannung ergibt sich durch den Spannungsteiler R7 und R8 eine Spannung von ebenfalls 75 mV am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers. Der Operationsverstärker wählt nun seine Ausgangsspannung derart, das am nicht invertierenden Eingang immer die gleiche Spannung anliegt wie der Sollwert am invertierenden Eingang. Der Operationsverstärker ändert seine Ausgangsspannung, um die Spannung zwischen dem invertierenden und dem nicht invertierenden Eingang auf 0 V auszuregeln. Hierbei ist einfach zu erkennen, dass sich beim Verändern des Sollwertes des LED-Stroms (DIM Eingang) der Istwert des LED-Stroms auf diesen Sollwert einstellt.
Die externe Steuerspannung am DIM-Eingang wird immer benötigt, andernfalls stellt sich automatisch ein LED-Strom von 0 A ein. Möchte der Entwickler nur einen definierten LED Strom nutzen, so schließt er den DIM-Eingang an eine stabile Spannung an und dimensioniert den Spannungsteiler, sodass die Spannung über R8 der Spannung über R3 beim gewünschten LED-Strom entspricht. Die 3,3-V-Versorgungsspannung des linearen Spannungsreglers IC2 die den OP versorgt, kann ebenfalls für die Einstellung eines festen LED-Stroms genutzt werden, sodass er keine externe Steuerspannung mehr am DIM-Eingang benötigt.
LED-Ströme bis 2,5 A sind mit dem Power-Modul möglich. Dafür sind unter Umständen größere Kupferflächen zur Entwärmung notwendig. 8,33-V-Steuerspannung entsprechen 2,5-A-LED-Strom. Eingangsspannungen bis zu 50 V sind möglich, sofern die Eingangskapazitäten und der lineare Spannungsregler dafür ausgelegt sind. Die Kompensation des Operationsverstärkers muss eventuell auf ein geändertes Layout und geänderte VIN-, VOUT- und IOUT-Werte angepasst werden.
LED-Treiber als potenzielle Gefahr für das Auge
Die Mehrheit der LED-Treiber sind in der Regel für Consumer-Anwendungen gedacht. Sie erreichen ihren gewünschten Mittelwert des LED-Stroms durch die Variation von An- und Aus-Zeiten durch Pulsweitenmodulation (PWM). Ein definierter LED-Strom wird bei einem LED-Treiber in Schaltregler-Technik eingestellt, zum Beispiel 350 mA. Wird die LED nun mit 350 mA betrieben ist die An-Zeit 100 Prozent - sofern die Topologie des LED-Treibers dies erlaubt. Der LED-Strom hierbei ist ein Gleichstrom, dem ein Stromripple, je nach Kapazität über der LED, überlagert ist. Möchte der Entwickler die LED dimmen, wird die An-Zeit verringert, wobei während der An-Zeit konstant 350 mA fließen.
Je kleiner die An-Zeit gegenüber der Aus-Zeit ist, das heißt, je kleiner die An-Zeit bei einer bestimmten Schaltfrequenz ist, umso dunkler erscheint die LED. Die Pupille des menschlichen Auges adaptiert sich nun an die wesentlich kleinere gemittelte Helligkeit der LED und öffnet sich weit. Gleichzeitig wird aber der maximale Photonenfluss ins menschliche Auge nicht geringer und trifft nun auf die weit geöffnete Pupille. Die Gefahr, dass das menschliche Auge durch bestimmte dimmende LED-Treiber geschädigt werden kann, ist noch nicht allgemein bekannt.
Vorteil dieser pulsenden LED-Treiber ist zum einen das sie etwas günstiger sind und das beim Dimmen der Farbton der LED genau beibehalten werden kann. Um die Gefahr für das Auge zu minimieren, sollten pulsende LED-Treiber mit einer hohen An-Zeit betrieben werden und es sollte auf weites Herunterdimmen verzichtet werden.
Das hier beschriebene Referenz-Design erzeugt immer einen DC-Strom. Beim Dimmen wird der Konstant-Strom in seinem Wert heruntergefahren, sodass der Photonenstrom, egal bei welcher Helligkeit, immer konstant bleibt. Das Auge adaptiert sich hier ebenfalls an die gemittelte Helligkeit, die aber in diesem Fall auch der Spitzenhelligkeit entspricht.
Reference-Design als Modul zum Testen
Die Platine zum Referenz-Design ist unter der Artikelnummer 178001 bei Würth Elektronik Eisos als Muster bestellbar. Durch die kleine Größe von 32 x 17 mm, die Kantenmetallisierung und die SMD-Pads für alle Ein- und Ausgänge auf der Unterseite eignet sich das Referenzdesign für den Einsatz in der Prototypen-Entwicklung des Kunden. Es können beliebig viele dieser Referenz-Designs parallel geschaltet werden, um höhere LED-Ströme zu generieren.
