LED-Controller Kaputte LEDs erkennen

LED-Controller gibt es inzwischen von verschiedenen Herstellern in vielfacher Ausführung. Was aber, wenn spezielle Fähigkeiten nötig sind? Beispielsweise die Erkennung fehlerhafter LEDs und ein analoges Dimmverhältnis von 100:1? Ein LED-Controller mit zweifacher Regelschleife eignet sich dafür.

Mit dem »LT3796-1« hat Linear Technology einen Schaltregler entwickelt, um einen konstanten Strom oder eine konstante Spannung an seinem Ausgang zu regeln – nötige Anforderungen zur Versorgung von LEDs. Er enthält zwei spezielle unabhängige Strommessverstärker und einen High-Side-PMOS-Schalter, der entweder in Kombination mit dem Schaltregler über den PWM-Pin oder unabhängig davon unter Einsatz des TGEN-Pin betrieben werden kann.

Durch diese Eigenschaften kann der Baustein die Anforderungen verschiedener spezieller LED-Applikationen erfüllen. Für besonders zuverlässige Beleuchtungsanwendungen kann der Controller zum Beispiel konfiguriert werden, um zwei LED-Ketten parallel zu betreiben. Dadurch ist es möglich, eine fehlerhafte LED in jeder der beiden Ketten zu erkennen, indem er die jeweils andere als Referenz verwendet. Oder in Applikationen, die eine exakte analoge Dimmung benötigen, können die beiden Strommessverstärker skaliert werden, um den LED-Strom in zwei Bereichen, »high« und »low«, zu regeln und dadurch die analogen Dimmfähigkeiten eines LED- Treiberbausteins auf 100:1 zu erweitern. Dies stellt eine zehnfache Verbesserung gegenüber dem dar, was typischerweise beim Einsatz einer einzigen Stromregelschleife verfügbar ist.

Fehlerhafte LEDs erkennen

Das Erkennen einer einzelnen schwächer gewordenen oder kurzgeschlossenen LED in einer Kette ist eine Herausforderung, weil die Vorwärtsspannung sehr stark mit der Last, der Temperatur und mit Fertigungstoleranzen variieren kann. Eine Methode, diese Variablen zu eliminieren ist es, zwei abgeglichene Ketten parallel zu verwenden, sodass jede relative Differenz in der Vorwärtsspannung zwischen den beiden Ketten einen Fehler anzeigen kann. In einer solchen Lösung bestehen die Ketten aus klassifizierten Bauteilen (Binning), deren Vorwärtsspannungen aufeinander abgestimmt sind.

Ein potenzielles Problem beim Versorgen von zwei identischen LED-Ketten mit einem einzigen Ausgang ist, dass in einer der beiden Ketten der doppelte Strom fließen kann, wenn die andere Kette unterbrochen wird oder nicht leitet. Mit der Zweifach-Stromregelschleife im LT3796-1 lässt sich diese Fehlfunktion ausschließen.

Bild 1 zeigt, wie man die beiden Strommessverstärker ISP/ISN und CSP/CSN in einem aufwärtswandelnden LED-Treiber konfiguriert. Im normalen Betrieb dominiert die ISP/ISN-Stromschleife und setzt den LED-Strom. Der Strom durch LED-Kette 1 wird am Pin ISMON angezeigt. Die CSP/CSN-Stromschleife liefert normalerweise die Überwachung an CSOUT, da sie auf 25% unter dem Regelungspunkt von FB2 eingestellt ist. Der CSOUT-Pin zeigt den Strom von LED-Kette 2 an als VCSOUT (Gleichung (1)).

(1) V subscript C S O U T end subscript space equals space 1 space V space times space fraction numerator I subscript L E D 2 end subscript over denominator 500 space m A end fraction

Geraten die beiden LED-Ketten aus der Balance, zeigen die beiden anzeigenden Pins, ISMON und CSMON, den relativen Unterschied des LED-Stroms in der Spannung an. Durch den externen Vergleich der beiden analogen Signale kann ein Fehlersignal von einem externen Controller getriggert werden.

Bild 2 zeigt die Signalform auf einem Oszilloskop, wenn eine LED aus LED-Kette 1 kurzgeschlossen ist. Der ISP/ISN-Stromfühlverstärker erkennt sofort den Überstrom und trennt beide PMOS-Schalter. Nach einem Softstart-Zyklus beginnt die ISP/ISN-Stromschleife, die LED-Kette bei einer neuen Ausgangsspannung zu regeln, die mit dem Abfall der Vorwärtsspannung von acht LEDs korrespondiert. Da die neue Ausgangsspannung keine neun LEDs treiben kann, hört die LED-Kette 2 damit auf, Strom zu leiten und CSOUT meldet 0 V.

Genauso, wenn eine LED in Kette 2 kurzgeschlossen ist, übernimmt die CSP/CSN-Stromschleife die Regelung und regelt dem Ausgangsstrom auf 625 mA durch den FB2-Pin (Bild 3). Nun hört die LED-Kette 1 damit auf, Strom zu leiten und ISMON zeigt 0 V an.

Der LT3796-1 bietet auch Hochleistungs-PWM-Dimmen und einen Kurzschlussschutz für beide Ketten durch den Trennschalter-Treiber-Pin TG für die externen PMOS-Transistoren. Der in den ISP/ISN-Stromfühlverstärker eingebaute Überstrom-Komparator schützt vor einem Kurzschluss von Kette 1, wohingegen die von D4, Q1 und R9 bis R11 geformte Schaltung (siehe Bild 1) die kurzgeschlossene Schaltung in Kette 2 erkennt, FB1 auf »high« treibt und die PMOS-Schalter M2 und M3 abschaltet.

Analoges Dimmverhältnis von 100:1

Viele High-Power-LED-Applikationen benötigen ein großes analoges Dimmverhältnis, das mit nur einem strommessenden Pfad schwierig zu erreichen ist. Das Problem ist der dynamische Bereich: Bei hohen Strömen wird eine kleine differenzielle Spannung benötigt, um die Verlustleistung im Fühlwiderstand zu begrenzen, typisch 250 mV oder weniger. Aber bei einem so kleinen Signalpegel tragen die wenigen Millivolt Fehler des strommessenden Verstärkers merklich zu dem Fehler in der Messspannung bei, selbst bei nur 10% analogem Dimmen.

Die beiden strommessenden Schleifen des LT3796-1 erlauben es, hohe analoge Dimmverhältnisse zu erzeugen, indem die Arbeit der Stromregelung auf zwei Schleifen aufgeteilt wird. Eine Schleife enthält einen Messwiderstand mit geringem Wert, um die Verlustleistung im Hochstrompfad zu begrenzen, während die andere Schleife ein größeres Messsignal im Niederstrompfad benutzt, um die Genauigkeit zu erhöhen, wenn die Verlustleistung keine große Rolle spielt.

Bild 4 zeigt den LT3796-1 so konfiguriert, dass er ein Dimmverhältnis von 100:1 im SEPIC-Modus aufweist, in dem er den »LTC1541« (Präzisionsreferenz, Operationsverstärker und Komparator) nutzt.

Angenommen der RDS(on) von M2 ist im Hochstrombereich zwischen 200 mA und 1 A vernachlässigbar, dann regelt die ISP/ISN-Stromschleife den Ausgangsstrom auf einen Wert gemäß Gleichung (2).

(2) I subscript L E D end subscript space equals space fraction numerator V subscript C T R L _ I N end subscript minus 0 comma 2 space V over denominator 20 space times space open parentheses R subscript L E D 1 end subscript divided by divided by R subscript L E D 2 end subscript close parentheses end fraction

 

Wenn VCTRL unter 1,2 V abfällt zwingt der Komparator des LT1541 den TGEN-Pin auf »low« und sperrt M2.

Deshalb wird die LED-Kette nur von der CSP/CSN-Schleife gemessen und geregelt. Wenn die CSP/CSN-Schleife die Regelung übernimmt, wird die Spannung am FB2-Pin auf 1,25 V geregelt und der CRTL_IN-Eingang setzt den Schwellwert von CSP/CSN, indem er Strom aus dem CSOUT-Pin durch R6 zieht.

Der CSP/CSN-Dimmbereich reicht von 668 mV bis 33,4 mV durch das Messen geringer LED-Ströme zwischen 200 mA bis 10 mA, wobei die Genauigkeit erhalten bleibt. Insgesamt liefern die beiden Stromschleifen einen analogen Dimmbereich von 100:1 (Bild 5).

 

Über den Autor:

Xin Qi ist Senior Design Engineer bei Linear Technology.