Richtige Schottky-Diode finden Hochsetzsteller für LED-Hinterleuchtungen im Smartphone auslegen

Aufwärtswandler versorgt LED-Hinterbeleuchtung

In tragbaren Elektronikgeräten mit Display wird ein Aufwärtswandler zur Spannungsversorgung der LED-Hinterleuchtung benötigt. Sein Wirkungsgrad hängt von der Auswahl der passenden Schottky-Diode ab.

Bei tragbaren Elektronikgeräten (beispielsweise Smartphones) erhöht sich unablässig der Funktionsumfang. Parallel dazu wird von den Systementwicklern erwartet, längere Batterielaufzeit zu ermöglichen, im Idealfall in Gerätemodellen, die sich durch immer elegantere Formfaktoren von Konkurrenzprodukten abheben. Dazu sind kleinere Bauelemente notwendig sowie Maßnahmen zur Reduzierung der Systemverlustleistung. Eine Hauptursache für das Entstehen von Leistungsverlusten ist der Einsatz von Hochsetzstellern (auch Aufwärtswandler oder engl. Boost Converter) zur Ansteuerung zum Beispiel der Hinterleuchtung des Smartphone-Displays. Der prinzipielle Aufbau eines Aufwärtswandlers ist in Bild 1 gezeigt. Um die Verlustleistung im Aufwärtswandler möglichst klein zu halten, muss die Auswahl der verwendeten Schottky-Diode mit Sorgfalt erfolgen.

In heutigen tragbaren Elektronikgeräten mit LED-Display benötigen häufig die Aufwärtswandler, die für die LED-Hinterleuchtung verwendet werden, einen beträchtlichen Teil der Batterieleistung des Geräts. Daher müssen die Aufwärtswandler für einen möglichst effizienten Betrieb ausgelegt werden. Bei ihrer Implementierung ist die Schottky-Diode ein integraler Bestandteil. Sie korrekt zu spezifizieren ist relevant, um den hohen Wirkungsgrad des Aufwärtswandlers nicht gleich wieder einzubüßen. Eine sorgfältige Auswahl der Schottky-Diode bedeutet für tragbare Elektronikgeräte eine längere Batterielaufzeit und eventuell auch die Möglichkeit, in der Systementwicklung einen erweiterten Funktionsumfang vorzusehen.

Für die Spezifizierung der Schottky-Diode ist es nötig, den Mechanismus des Aufwärtswandlers selbst gut zu verstehen. Im Allgemeinen verwenden Hinterleuchtungen weiße LEDs. Sie sind durch eine Vorwärtsspannung gekennzeichnet, die typischerweise zwischen 3,0 V und 3,6 V liegt. Üblicherweise arbeiten tragbare Elektronikgeräte mit Li-Ion-Einzellen-Batterien mit einer Betriebsspannung zwischen 2,5 V und 4,2 V. Wenn die Spannung einer Li-Batterie in Richtung 2,5 V absinkt, steht nicht mehr genügend Spannung zur direkten Ansteuerung der LEDs zur Verfügung. Wenn das der Fall ist, kommt der Aufwärtswandler ins Spiel. Die Spannung der Li-Batterie dient als Eingangsspannung für den Boost Converter. Der Wert der Ausgangsspannung wird aus der Vorwärtsspannung der LEDs abgeleitet und aus der Konfiguration, in der die LEDs angeordnet worden sind. Manche Schaltungen verwenden eine einreihige Anordnung, während andere zwei Reihen (Strings) benötigen. Bei den üblichen LED-Vorwärtsspannungen von ungefähr 3,0 V bis 3,6 V wird eine Ausgangsspannung von 18 V bis 36 V benötigt.

Einschaltdauer

Das Tastverhältnis D (engl. Duty Cycle) eines Aufwärtswandlers lässt sich mit Hilfe der (idealisierten) Gleichung 1 bestimmen. Im Allgemeinen liegt das Tastverhältnis eines Aufwärtswandlers im Bereich von 80 bis 90 %. Das heißt, dass der MOSFET zu ungefähr 90 % des Zyklus eingeschaltet ist, um das Magnetfeld der Spule zu laden.

left parenthesis 1 right parenthesis space space space space D equals fraction numerator U subscript o u t minus end subscript U subscript i n end subscript over denominator U o u t end fraction

Uout = Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers.
Uin = Eingangsspannung des Aufwärtswandlers.

Während der MOSFET eingeschaltet ist, wird die Schottky-Diode in Sperrrichtung betrieben. Ist der MOSFET abgeschaltet, wird die Energie, die sich in der Spule aufgebaut hat, nachfolgend über die Schottky-Diode in den Ausgangskondensator entladen, der sie wiederum an die LEDs abgibt. Die vom Ausgangskondensator während dieser Zyklusphase empfangene Ladung reicht aus, um die LEDs so lange mit einem konstanten Strom zu versorgen, bis sich der MOSFET wieder einschaltet und der nächste Zyklus beginnt. Dem System kann ein Präzisionswiderstand hinzugefügt werden, der zum LED-Streifen in Reihe geschaltet wird. Die am Präzisionswiderstand abfallende Spannung kann als Signal an einen Controller geleitet werden.

Auftretende Ströme im Aufwärtswandler

Für die Spezifikation einer Schottky-Diode ist es notwendig, die verschiedenen Ströme zu kennen, die im Aufwärtswandler auftreten. Der zeitliche Verlauf der Ströme ist in Bild 2 dargestellt. Es handelt sich dabei um folgende Größen

  • Der durchschnittliche Eingangsstrom (Iin(avg)): Er ist gleichzeitig der Strom, der im zeitlichen Mittel durch die Schottky-Diode fließt, wenn sie in Durchlassrichtung betrieben wird.
  • Der maximale Spulenstrom (Ipk): Dieser Strom fließt durch die Schottky-Diode, wenn der MOSFET ausgeschaltet wird. Sein Wert klingt linear ab, wenn das Magnetfeld der Spule in seiner Stärke nachlässt, bis der MOSFET wieder einschaltet, um den nächsten Zyklus zu beginnen.
  • Der Ausgangsstrom (Iout): Dieser wird von dem ins System eingebauten Controller geregelt. Bei LED-Hinterleuchtungen liegt der Ausgangsstrom normalerweise zwischen 15 mA und 25 mA pro LED-Streifen.
  • Der maximale Spulenstrom Ipk des Aufwärtswandlers lässt sich durch Verwendung von Gleichung 2 berechnen. Gleichung 3 ergibt den Wert von Iin(avg).

left parenthesis 2 right parenthesis space space I subscript p k end subscript space equals fraction numerator I subscript o u t times end subscript U subscript o u t end subscript over denominator U subscript i n end subscript times space e f f i c i e n c y end fraction plus fraction numerator U subscript m over denominator 2 times f times L end fraction times left parenthesis 1 minus U subscript i n times e f f i c i e n c y end subscript over U subscript o u t end subscript

 

(3)  I subscript i n left parenthesis a v g right parenthesis end subscript equals fraction numerator 2 times I subscript p k end subscript minus begin display style U subscript i n end subscript over L end style times D times begin display style 1 over f end style over denominator 2 end fraction

efficiency = Wirkungsgrad des Hochsetzstellers.
L = Drosselinduktivität.
f = Schaltfrequenz des MOSFET.