Synchron-Aufwärtswandler LED-Treiber ohne Diodenverluste

Um die Verluste zu reduzieren, gibt es bei Abwärtswandlern (Buck Converter) schon seit langem die Synchrongleichrichtung. Dabei wird die Ausgangsdiode durch einen MOSFET ersetzt. Bei Aufwärtswandlern (Boost Converter), die oft in LED-Treibern zum Einsatz kommen, ist diese Technik schwer umzusetzen. Gibt es eine Lösung?

von Keith Szolusha, Application Engineering Section Leader im Bereich Power Products bei Linear Technology.

Treiberbausteine für synchrongleichgerichtete Abwärtswandler steuern gewöhnlich High-Power-LEDs mit hohen Strömen an, zum Beispiel in LED-Projektoren mit 10 A bis 40 A. So hohe Ströme würden vor allem die Ausgangsdioden eines Wandlers ohne Synchrongleichrichtung überfordern. Synchrone Gleichrichtung dagegen begrenzt die Verluste und damit die Temperaturerhöhung durch hohe Ströme. Da wäre es doch eigentlich logisch, diese Technik auch in leistungsstarken Aufwärtswandlern zu implementieren. Doch im Gegensatz zum Abwärtswandler kann der Spitzenstrom dieser Topologie viel höher sein als der LED-Strom, besonders dann, wenn die Ausgangsleistung hoch und die Eingangsspannung niedrig ist. Es gibt viele Situationen, in denen synchrongleichgerichtete Boost-LED-Treiber für spezielle Applikationen nicht verfügbar sind. In einigen dieser Fälle eignet sich ein synchrongleichgerichtetes Buck-LED-Treiber-IC. Aber anstatt dieses als Abwärtswandler zu verwenden, lässt man es als Boost-LED-Treiber arbeiten. Bild 1 zeigt rechts das vereinfachte Blockschaltbild.

Der synchrone 40-V-Buck-LED-Treiber »LT3744« von Linear Technology, der für LED-Projektoren ausgelegt ist, bietet beispielsweise einen potenzialfreien VEE-Ausgang, sodass er sich in einer Boost-Topologie als Positiv-zu-negativ-Wandler einsetzen lässt. In solchen Schaltungen sind die Anoden der Hochstrom-LEDs zum besseren Wärmemanagement meist mit Masse verbunden.

Bild 2 zeigt eine Schaltung, in welcher der LT3744 eine LED-Kette mit 25 V/3 A aus einer Autobatterie (9 V bis 16 V) mit einem Wirkungsgrad von 98% versorgt.

Selbst bei diesem Leistungspegel steigt die maximale Komponententemperatur nur auf +45 ºC bei 12 V Eingangsspannung (Bild 3). Durch das IC lässt sich eine analoge 10:1- und eine digitale 100:1-PWM-Dimmung realisieren. Gleichzeitig sind die Eingangssignale auf Masse bezogen, selbst wenn die LED-Kette oder der PWM-Dimm-MOSFET mit Masse verbunden sind. Wenngleich in dieser Applikation der Messwiderstand mit 5 mΩ den maximalen Schaltstrom auf 10 A festlegt, lässt sich die Lösung recht einfach auf 6 V Eingangsspannung und 15 A Spitzenschaltstrom ändern – mit einer passenden Spule und einem verringerten Wert für diUnterspannungsabschaltung (Undervoltage Lockout).

Die negative VEE-Spannungsschiene des LT3744 kann bis zu -21 V herunterreichen. Er vereinfacht Designs durch Pegelwandlung der Eingangssteuersignale, die auf Masse bezogen sind. Ein einfaches, auf Masse bezogenes PWM-Eingangssignal wird auf den Pin PWM_OUT umgesetzt. Damit ist keine zusätzliche Schaltung zur Pegelumsetzung erforderlich, um den PWM-MOSFET (M3 im Bild 2) anzusteuern. Ebenfalls kann der LED-Strommesswiderstand direkt mit der negativen VEE-Schiene bis hinunter zu -21 V verbunden werden.

Pegelumsetzung von GND und VEE 

Die Pegelumsetzung und Positiv-zu-negativ-Wandlung des LT3744 wurden entwickelt, um Hochstrom-LEDs zu unterstützen, deren Anode mit Masse verbunden ist. Dasselbe kann in Boost-Applikationen verwendet werden, wenn die LED-Kette zwischen VIN und einem negativen VEE-Potenzial betrieben wird. Da sowohl der Strommesswiderstand als auch der PWM-Dimm-MOSFET an der Kathode der LED-Kette platziert sind, führt das umgesetzte PWM_OUT-Signal vom massebezogenen PWM-Eingang zu einer Topologie, die nicht komplizierter aussieht als ein traditionelles Boost-PWM-Dimmschema. Die Eingangsseite sieht aus wie die eines modernen LED-Treibers mit analogem CTRL-Dimming mit SYNC-Eingang und aktivierten Eingängen – alle bezogen auf Signalmasse (GND), egal wie groß die negative VEE betragsmäßig ist.

Der Wert von VEE kann her auf bis zu -1 V steigen. Der Überspannungsschutz für offene LEDs kann für eine LED-Spannung VLED von 25 V auf 26,5 V gesetzt werden. Das begrenzt das Minimum für die Eingangsspannung VIN auf etwa 6 V in einer solchen Applikation, bevor VEE über das Limit von -21 V geht. Um an einer Eingangsspannung von 6 V zu arbeiten, benötigt die Lösung in Bild 2 eine niedrigere Unterspannungsabschaltung und einen Fühlerwiderstand sowie eine Induktivität, die beide einen 15 A Spitzenschaltstrom tragen können. Bei LED-Ketten mit geringerer VLED (bei jedem Strom) kann die minimale Eingangsspannung VIN mit einer einfachen Einstellung bis zu 4 V herunter festgelegt werden.

Ein solcher Aufwärtswandler bietet viele der gleichen Möglichkeiten wie ein traditioneller Boost-Regler, wie in Bild 1 gezeigt. Mit der Ausnahme einer unüblichen Verkabelungstopologie und der Ansteuerung des High-Side-Schalters S1 anstelle des Low-Side-Schalters, zeigt dieser Aufwärtswandler ein Verhalten bezüglich Tastverhältnis (Duty Cycle), Ripplestrom und Spannungsstress wie ein traditioneller Boost-Wandler. Ist keine Synchrongleichrichtung erforderlich, kann ein nicht-synchroner Buck-Regler als Boost-Treiber verwendet werden, wobei S2 durch die typische Gleichrichterdiode D1 ersetzt wird, wie in einem traditionellen Boost-Regler.