Große Displays beleuchten Wandler für LED-Hintergrundbeleuchtungen

Der technische Fortschritt bei Großbildschirmen speziell im Bereich von Fernsehgeräten und Digital Signage wirkt sich deutlich auf die Anforderungen an Stromversorgungen für die LED-Hintergrundbeleuchtung aus. Wie sehen diese Anforderungen aus?

Bildschirmhersteller reagieren auf die Forderungen der Märkte nach immer größeren Bildschirmen - Diagonalen von über 50 Zoll (1,27 m) sind heute keine Seltenheit mehr. Als Folge davon müssen Stromversorgungen für Hintergrundbeleuchtungssysteme heute in der Lage sein, mehrere parallelgeschaltete Ketten aus zahlreichen LEDs zu treiben; hierfür müssen sie sowohl hohe Ausgangsspannungen als auch hohe Lastströme liefern.

In der Regel beträgt die Betriebsspannung für das Hintergrundbeleuchtungssystem 12 V oder 24 V, wogegen für die Ansteuerung von LED-Ketten oft Spannungen von 60 V oder noch höher nötig sind. Je nach Größe des Bildschirms kann die benötigte Spitzenleistung zwischen 50 W und mehr als 250 W betragen. Hinzu kommt noch, dass diese Last sich dauernd ändert, da die Helligkeit der LEDs dynamisch an den jeweiligen Bildinhalt angepasst wird.

Ein Aufwärtswandler, der diesen Anforderungen genügt, wäre relativ einfach zu entwickeln, wären da nicht noch weitere Randbedingungen zu beachten. Im Markt für LCD-Großbildschirme sind zwei Leistungsmerkmale von entscheidender Bedeutung: Erstens muss die Leistungsaufnahme im Normalbetrieb und im Stand-by-Modus unterhalb bestimmter Grenzwerte liegen, die von Regulierungsbehörden wie dem US Department of Energy oder der Europäischen Kommission vorgeschrieben und im Laufe der Zeit immer weiter sinken werden.

Das bedeutet, dass die Leistungsverluste an allen Stellen des Systems, auch in der Stromversorgung, auf ein Minimum reduziert werden müssen. Zweitens spielt - insbesondere bei der Wiedergabe von hoher Auflösung oder 3D-Inhalten - die Bildqualität eine ganz wichtige Rolle, denn für die Verbraucher ist die Bildqualität eines der wichtigsten Beurteilungskriterien für Großbildschirme.

Eine stabile, exakt geregelte Stromversorgung für die LED-Hintergrundbeleuchtung ist eine notwendige Voraussetzung für hohe Bildqualität mit definierter Farbwiedergabe, reproduzierbarem Kontrast und reproduzierbarer Helligkeit. Der Aufwärtswandler muss also nicht nur die elementaren Anforderungen an Ausgangsspannung und Spitzenstrom erfüllen, sondern auch einen hohen Wirkungsgrad und eine hochgenaue Spannungsregelung über einen weiten Bereich schnell veränderlicher Lastbedingungen bieten.

Bild 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines typischen Aufwärtswandlers. Die Schalter S1 und S2 werden periodisch gegensinnig betätigt (wenn S1 geschlossen, dann ist S2 offen, und umgekehrt), dadurch fließt ein Strom durch die Induktivität L1, und es wird Energie vom Eingang zum Ausgang transportiert. Eine ideale Stromversorgung würde verlustfrei arbeiten, die Ausgangsleistung wäre gleich der Eingangsleistung. Bei einer realen Stromversorgung hingegen ist die Eingangsleistung stets höher als die Ausgangsleistung (Gleichung (1)).
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Die konkreten Werte für Vin, Vout und Iout sind von den Anforderungen des Hintergrundbeleuchtungssystems abhängig. Gleichung (1) lässt sich auch nach Gleichung (2) umstellen.
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Anforderungen

Bei einem typischen Hintergrundbeleuchtungssystem muss eine Eingangsspannung von 12 V auf eine Ausgangsspannung von 60 V hochgewandelt werden; im 3D-Bildschirmmodus können Spitzenströme bis zu 3 A auftreten. Das bedeutet, dass eingangsseitig nach Gleichung (2) 15 A fließen (siehe Gleichung (3)).
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Weil vollintegrierte Aufwärtswandler in Gestalt eines einzigen ICs nicht für derart hohe Ströme ausgelegt sind, kommen externe Bauteile zum Einsatz, nämlich ein n-Kanal-MOSFET (S1 in Bild 1) und eine Diode (S2 in Bild 1). Das Design eines Controllers für eine solche Anwendung muss demnach den folgenden Anforderungen genügen:

  • Es muss den zur Ansteuerung des Gates des externen MOSFETs benötigten hohen Spitzenstrom liefern können.
  • Es muss gewährleisten, dass die auf der Leiterplatte fließenden hohen Spitzenströme den Chip nicht in seiner Funktion beeinträchtigen.
  • Es muss die Stabilität des Regelkreises für die Ausgangsspannung gewährleisten.

Wie eingangs beschrieben, muss die Stromversorgung wegen der niedrigen Grenzwerte für die Leistungsaufnahme einen sehr hohen Wirkungsgrad aufweisen. Daher muss man zunächst einmal die Ursachen für Leistungsverluste ermitteln und dann jeden Leistungsverlust einzeln minimieren. Ein Großteil des Leistungsverlusts einer Stromversorgung entfällt auf die externen Bauteile.

Um diese Verluste nicht noch zu erhöhen, sollten Entwickler beim Leiterplattenlayout darauf achten, die parasitären Induktivitäten und Widerstände möglichst klein zu halten. Besonderes Augenmerk gilt der Induktivität im Leistungspfad: Je kleiner diese ist, desto kleiner sind die Spannungsspitzen beim Schalten. Eine Kombination aus hochwertigen, verlustarmen Bauteilen und sorgfältigem Leiterplattenlayout trägt wesentlich zu einem hohen Systemwirkungsgrad bei.

Einen weiteren beträchtlichen Teil des Gesamtverlusts macht die zur Ansteuerung des Gates des n-Kanal-MOSFETs benötigte Leistung aus. Dieser Verlust lässt sich durch Reduzieren der Treiberspannung senken. Dadurch steigt allerdings der On-Widerstand und somit der Durchlassverlust des MOSFETs an. Diese beiden gegenläufigen Effekte muss der Entwickler also sorgfältig gegeneinander abwägen.

Die zweite kritische Anforderung an moderne Großbildschirme - hohe Bildqualität - macht eine präzise Lastregelung unabdingbar, insbesondere unter extremen Lastbedingungen wie zum Beispiel schnellen Übergängen von Leerlauf auf Volllast. Zwar wird der Spitzenstrom vom Ausgangskondensator geliefert, doch sollte der PWM-Controller sehr schnell auf ein Absinken der Ausgangsspannung reagieren und den Spannungseinbruch auf ein Minimum reduzieren. Die Stromversorgung muss außerdem über den gesamten weiten Laststrombereich des Bildschirms stabil arbeiten.

Realisierung

Die hohen Anforderungen an die Stromversorgung von Display-Hintergrundbeleuchtungssystemen - insbesondere solchen für Großbildschirme - lassen sich mit einer Kombination aus einem spezialisierten Aufwärtsregler-Controller, hochwertigen externen Bauelementen und einem effektiven Leiterplattenlayout erfüllen. Der »AS1390« von ams (Bild 2) ist ein solcher Baustein: ein Aufwärtsregler-Controller für Eingangsspannungen (Vin) von 10 V bis 30 V, der in Verbindung mit geeigneten externen Bauteilen Ausgangsspannungen von 30 V bis 90 V liefern kann.

Der maximal zulässige Laststrom bei 12 V Eingangsspannung und 60 V Ausgangsspannung beträgt 3 A. Zusätzlich enthält der Chip einen Abwärtsregler mit einer Ausgangsspannung von 5 V. Der AS1390 weist etliche Besonderheiten auf, die ihn für die Ansteuerung von leistungsstarken Hintergrundbeleuchtungssystemen für Großbildschirme prädestinieren.

Wie bereits erwähnt, lassen sich die Schaltverluste im Controller durch Reduzieren der Gate-Treiberspannung verringern. Deshalb ist der Baustein mit einem Linearregler (VDDM in Bild 2) ausgestattet, dessen Ausgangsspannung auf 9 V, 11 V, 13 V oder 15 V programmiert werden kann. Der Wirkungsgrad lässt sich verbessern, indem man die für den jeweiligen n-Kanal-MOSFET optimale Kombination aus Gate-Treiberspannung und On-Widerstand wählt.

Eine niedrigere VDDM verringert auch die von parasitären Leiterbahn-Induktivitäten beim Schalten verursachten Spannungsspitzen. Die Bilder 3 und 4 zeigen, dass der Wirkungsgrad eines Aufwärtswandlers auf der Basis des AS1390 zwischen 85% und 95% liegt. Eine schnelle und genaue Lastregelung ist für eine hohe Bildqualität unabdingbar.

Die gute Lastregelung des AS1390 ist zum Teil seiner Current-Mode-Architektur zu verdanken. Der Regelkreis lässt sich auf einfache Weise auf die jeweilige Anwendung abstimmen: Die Kompensation der Regelschleife lässt sich durch einen Serienwiderstand am Sense-Anschluss verändern; die Spannungskompensation wird durch externe Bauteile am COMP-Anschluss vorgegeben.

Durch Wahl der passenden Kombination aus Regelschleifen-Kompensations-widerstand und Spannungs-Kompensationsbauteilen erreicht man eine schnelle dynamische Regelung mit hoher Genauigkeit. Mit der in Bild 2 gezeigten typischen Beschaltung produziert der Baustein bei Vin = 12 V, Vout = 60 V und einem Laststromsprung von 0 A auf 1 A einen Ausgangsspannungseinbruch von weniger als 1,8%. Innerhalb von nur 1 ms erreicht die Ausgangsspannung wieder ihren ursprünglichen Wert.

Über die Autoren:

Emir Serdarevic und Manjunatha Poojary sind Entwicklungsingenieure in der Power and Wireless Division bei ams.