LED-Versorgung mit Knopfzellen-Batterien LED-Treiber spart Energie

Durch den Einsatz energiesparender LED-Treiber, die sowohl eine Begrenzung des Eingangsstromes als auch einen hohen Wirkungsgrad gewährleisten, lassen sich nun auch Low-Power-LEDs aus einer Knopfzellenbatterie mit konstantem Strom ansteuern. Das erschließt neue Einsatzgebiete für Hintergrundbeleuchtungen und Anzeige-LEDs, da die Benutzeroberfläche für die unterschiedlichsten Handheld-Geräte verbessert wird.

Lithium-Knopfzellenbatterien kommen in kleinen Geräten zum Einsatz, beispielsweise in Weckern, Armbanduhren, Zählern, Messgeräten, medizinischen Geräten sowie drahtlosen Türklingeln.

Diese Batterien eignen sich zur Stromversorgung einer einzelnen energiesparenden Leuchtdiode, als Hinterleuchtung einer LC-Anzeige bei schwachen Lichtverhältnissen oder zur Ansteuerung einer Anzeige-LED während eines kurzen Zeitraums. Zum Einschalten einer einzelnen Low-Power-LED mit einem Strom von 3 mA durch eine Lithium-Bat-terie mit 3 V Nennspannung ist ein Hochsetzsteller (Boost Converter) erforderlich, der die Batteriespannung auf eine Ausgangsspannung im Bereich von 3 V bis 4 V konver-tiert.

Ein Hochsetzsteller zieht im Allgemeinen während des Einschaltens einen größeren Eingangsstrom, was zu einem vorübergehenden Spannungsabfall in der Knopfzelle führt und dadurch den Betrieb des Geräts beeinträchtigt. Aus diesem Grund sollten speziell dafür vorgesehene LED-Treiber zum Einsatz kommen, die mit Knopfzellenanwendungen kompatibel sind.

Bild 1 zeigt eine Anwendungsschaltung mit einem Ladungspumpen-LED-Treiber, der eine einzelne Leuchtdiode aus einer Knopfzelle versorgt.

Die Knopfzellenbatterie lässt sich als ideale 3-V-Spannungsversorgung mit einem Reihenwiderstand oder einer Ausgangsimpedanz (Rs) modellieren.

Bei einer Lithiumbatterie vom Typ »CR2032« ist die Impedanz einer neuen Batterie verhältnismäßig hoch und liegt normalerweise bei ungefähr 10 Ω bis 20 Ω.

Da sich die Batterie im Laufe der Zeit entlädt, steigt die Impedanz ständig an und kann gegen Ende der Lebensdauer bei über 100 Ω liegen.

Wird die LED durch einen Signalwechsel von Low auf High am Enable-Eingang (EN-Pin) eingeschaltet, beginnt der LED-Treiber die Ausgangsspannung hochzufahren und lädt die beiden Pumpenkondensatoren sowie den Ausgangskondensator auf die Nennspannung von 3 V bis 4 V auf - abhängig von den Kennwerten der Durchlassspannung der Leuchtdiode.

Dies führt vorübergehend zu einem erhöhten Eingangsstrom, den die Batterie liefern muss.

In Bild 2 sind die Strom- und Spannungsverläufe für den Einschaltmoment dargestellt.

Gezeigt werden der Eingangsstrom sowie die momentane Batteriespannung. Der Eingangsstrom des LED-Treibers erreicht bei ungefähr 10 mA seinen Spitzenwert.

Optimierte LED-Treiber

Vergleicht man dazu den Eingangsstrom eines »regulären« LED-Treibers mit einem Spitzenwert von ungefähr 50 mA, so liegt dieser wesentlich höher als die 10 mA bei einem energiesparenden LED-Treiber. Ein regulärer Treiber verursacht einen vorübergehenden Batteriespannungsabfall von bis zu 500 mV, im Vergleich zu lediglich 140 mV bei einem Low-Power-Treiber.

Bei einer 3-V-Batterie ist ein Spannungsabfall von 500 mV beträchtlich, und er ist noch kritischer bei einer entladenen Batterie. Da der Treiber den maximalen Eingangsstrom auf einen Faktor von ungefähr 3,3-mal des LED-Stromes (3,3 x 3 mA = 10 mA) begrenzt, bleibt die Schaltung auch bei viel niedrigeren Batteriespannungen funktionsfähig. Somit lässt sich die Batterie über einen längeren Zeitraum einsetzen und muss nicht so häufig ausgetauscht werden.

Die Ausgangsimpedanz Rs der Batterie lässt sich abschätzen, indem man die Verläufe in Bild 2 betrachtet und das Verhältnis zwischen dem Spannungsabfall VBAT und dem Eingangsstrom in einem stabilen Abschnitt der Kurve (auf der rechten Seite) berechnet: Rs = (VBATAbfall)/Eingangsstrom = 80 mV/4,2 mA = 19 Ω. Um die Batterielebensdauer zu verlängern, sollte die LED-Treiberlösung auch den Batteriestromverbrauch bei eingeschalteter LED minimieren.

Bei Verwendung einer neuen CR2032-Batterie und Ansteuerung einer einzelnen Leuchtdiode mit kontinuierlich 3 mA wurden der Eingangsstrom und die Batteriespannung über einen Lebenszyklus von ungefähr 22 Stunden überwacht. Danach war die Batterie völlig entladen (VBAT gleich 1,9 V).

Das Ergebnis ist in Bild 3 dargestellt. Die LED-Treiber-Ladungspumpen von ON Semiconductor arbeiten mit variierenden Übersetzungsverhältnissen (Verhältnis Ausgangs- zu Eingangsspannung). Es gibt die Betriebsarten: 1x, 1,33x, 1,5x und 2x. Bei einer typischen LED-Durchlassspannung von ungefähr 2,9 V wird der LED-Treiber anfänglich im 1,33x-Betrieb arbeiten und auf 1,5x-Betrieb übergehen, wenn sich die Batterie entlädt.

Der Wechsel der Betriebsarten ist im Entladungsprofil der Knopfzellenbatterie in Bild 3 ersichtlich. Im 1,33x-Modus ist der Eingangsstrom gleich dem 1,333-fachen des LED-Stroms zuzüglich des Ruhestromes von 0,2 mA (also einem Gesamtwert von 1,333 x 3 mA + 0,2 mA = 4,2 mA). Dagegen erhöht sich im 1,5x-Betrieb der Eingangsstrom auf 1,5-mal den LED-Strom (also 1,5 x 3 mA + 0,2 mA = 4,7 mA).

Zu guter Letzt geht die Ladungspumpe in die Betriebsart 2x über, bei welcher der Eingangsstrom den Spitzenwert von annähernd zweimal 3 mA (gleich 6 mA) erreicht. Zu diesem Zeitpunkt ist die Ausgangs-impedanz der entladenen Batterie so hoch, dass sie die Batteriespannung auf 1,9V abfallen lässt und den Treiber zum Abschalten zwingt. Vergleicht man den Versorgungsstrom zwischen den Betriebsarten 1,33x und 1,5x, ergibt sich eine Einsparung von zehn Prozent, wenn man im 1,33-Modus verbleibt.

Daher bieten Teilbereichsladungspumpen mit einem 1,33x-Betrieb, beispielsweise der »CAT3661« von ON Semiconductor, einen höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu dem herkömmlichen Ladungspumpenbetrieb mit ausschließlichen 1,5x-Mode, und verlängern somit die Lebensdauer der Batterie. Ein weiterer Vorteil von Ladungspumpen-LED-Treibern wie dem CAT3661 liegt darin, dass sie die Anzahl der erforderlichen externen Komponenten auf vier kleine 1-µF-Keramikkondensatoren minimieren. Das Treiber-IC CAT3661 wird in einem 3 mm x 3 mm großen Gehäuse angeboten.

Schutz mit integriert

Für den Fall einer kurzgeschlossen oder offenen Leuchtdiode sind im Treiber Schutzvorrichtungen eingebaut. Ist die LED kurzgeschlossen, erfasst der Treiber eine Spannungsdifferenz von weniger als 1 V zwischen dem VOUT-Pin und dem LED-Pin, und begrenzt den Ausgangsstrom auf ungefähr 5 µA. Der Treiber geht in einen Standby-Modus mit sehr geringem Energieverbrauch und limitiert so den Batteriestrom.

Falls die LED abgeklemmt ist, steigt die Ausgangsspannung VOUT bis auf zirka 4,5 V an. In diesem Fall schaltet der Treiber den LED-Kanal so lange ab, bis die Leuchtdiode wieder angeschlossen wird. In beiden Fällen gibt das IC eine Fehlermeldung ab, indem es den nFLTL-Pin (Open-Drain) nach Low zieht. Der nFLTL-Pin kann mit dem I/O-Pin eines Mikrocontrollers verbunden werden, um den LED-Fehler zu melden.

Die Batteriespannungsüberwachung übernimmt ebenfalls der Low-Power-Treiber. Dazu wird ein Schwellwert für Unterspannung gesetzt, indem externe Widerstände mit den ADJH- und/oder den ADJL-Pins verbunden werden. Sobald die Batteriespannung unter den Schwellwert fällt, wird ein Fehler-Flag gesetzt und der nFLTB-Pin (Open Drain) wird auf Low gezogen.

Einen interner Widerstandsteiler, der mit einem Spannungskomparator verbunden ist, erfasst die Batteriespannung. Auch unterhalb des eingestellten Schwellwertes für Unterspannung arbeitet der Treiber normal weiter und regelt den LED-Strom. Sobald die Spannung am VIN-Pin den Schwellwert für die Unterspannungsabschaltung (UVLO) von typisch 1,9 V erreicht, schaltet sich das IC ab und verbraucht keinen Strom mehr. Der nFLTB-Pin kann mit dem Mikrocontroller verbunden werden, um Unterspannung zu erkennen und zu melden. Bei Verbindung des ADJH-Pins mit VIN und des ADJL-Pins mit GND, wie in Bild 1 dargestellt, ist der Auslösepunkt für Low-Battery auf 2,4 V eingestellt.