Texas Instruments Lösungen für das Parallelschalten von LED-Strings

LEDs findet man heute in mehr Produkten als je zuvor. Kfz-Beleuchtungen sowie Hintergrundbeleuchtungen für Fernsehgeräte und Tablets müssen mit einer großen Zahl von LEDs bestückt werden. Es gilt hier also, viele LEDs mit gleicher Stromstärke zu versorgen. Dafür bieten sich zwei Möglichkeiten an.

Zum einen lassen sich alle benötigten LEDs in Serie schalten, oder man verschaltet sie zu mehreren parallelen Strings. Problematisch an einer langen Kette in Serie geschalteter LEDs ist neben der dafür nötigen hohen Spannung auch die Tatsache, dass beim Ausfall eines einzigen Bauelements die gesamte Kette ohne Funktion ist. Doch auch der Parallelbetrieb mehrerer Strings hat seine Nachteile. Unter anderem wird für jeden String ein eigener Stromregler benötigt, was unter dem Strich die Komplexität und die Kosten erhöht. Der Trend geht heute zum Betrieb mehrerer paralleler Strings, und so befasst sich der folgende Artikel mit den Optionen für die Implementierung der dafür geeigneten Treiberschaltungen.

Eine LED ist von ihrem Wesen als stromgetriebener Baustein immer noch eine Diode. Ihre I-U-Kennlinie zeigt einen nichtlinearen Verlauf: schon eine geringfügige Spannungsänderung kann eine starke Änderung des Stroms bewirken. Zwischen dem LED-Strom und dem erzeugten Lichtstrom besteht dagegen ein nahezu proportionaler Zusammenhang. Unter anderem in TV-Hintergrundbeleuchtungen ist es deshalb sehr wichtig, den Strom sehr exakt zu regeln. Allerdings ist diese hohe Regelgenauigkeit zur Helligkeitsanpassung der LEDs nicht unbedingt in allen Anwendungen notwendig. Sind die LEDs zu einem seriellen String verschaltet, ergibt sich die Helligkeitsanpassung wegen des identischen Stroms in allen LEDs von allein. Werden dagegen sehr viele LEDs benötigt, geht es nicht mehr ohne die Parallelschaltung mehrerer Strings. Dementsprechend müssen Überlegungen angestellt werden, wie die Ströme in den einzelnen Strings geregelt werden sollen.

Eine typische weiße LED kann eine Flussspannung von 3,3 V aufweisen, mit einer Schwankungsbreite bis zu 20 % beim Nennstrom. Ein String mit zehn in Serie geschalteten LEDs kann somit eine Spannung von 33 V benötigen, während ein anderer String 39,6 V verlangt, um auf denselben Strom zu kommen. Würde man diese beiden Strings parallelschalten, würde durch den String mit der niedrigeren Spannung wesentlich mehr Strom fließen als durch den anderen. Allerdings ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein String ausschließlich LEDs mit der höchsten zu erwartenden Flussspannung enthält, recht klein und wird mit zunehmender LED-Anzahl immer geringer.

In der Praxis gestaltet sich das Anpassen beider Strings deshalb wesentlich einfacher. Dennoch ist eine Differenz von mehreren Volt nicht ausgeschlossen. Abhilfe schaffen die LED-Hersteller mit dem so genannten Binning. Dabei werden die LEDs nach ihrer Flussspannung (Vf) sowie nach Lichtausbeute und Wellenlänge sehr genau sortiert, um die Leistungsfähigkeit zu verbessern. Eine einfache und kostengünstige Lösung, zwei Strings parallelzuschalten, ist in Bild 1 (Schaltung A) dargestellt. Mehr als eine Spannungsquelle mit fest eingestellter Ausgangsspannung und ein einfacher Widerstand zum Festlegen des Stroms ist nicht nötig.

Die an einem Messwiderstand abfallende Spannung lässt sich mit einer externen Schaltung so regeln, dass die Ausgangsspannung erhöht oder abgesenkt wird, um den LED-Strom präzise zu regeln. Dies betrifft jedoch nur den Strom in einem String, ist aber für den anderen String nicht unbedingt hilfreich. Tatsächlich kann der Strom im anderen String beeinträchtigt werden, beispielsweise wenn die Ausgangsspannung für den geregelten String von der Regelung angehoben wird, der zweite String aber die geringere Flussspannung aufweist.

Ebenso wie bei normalen Dioden wird auch die Flussspannung von LEDs mit zunehmender Temperatur geringer. Wenn sich also ein String im Betrieb deutlich mehr erwärmt als der andere, fällt seine Flussspannung und er zieht wesentlich mehr Strom. Die dadurch verursachte Erhöhung der Verlustleistung lässt die Temperatur noch weiter ansteigen. Dieses thermische Durchgehen kann schlimmstenfalls zum Ausfall einer LED führen. Es ist deshalb notwendig, die Treiberspannung der LED-Strings auf einen konstanten Wert zu regeln. Außerdem sollten alle LEDs auf einen gemeinsamen Kühlkörper montiert werden, damit ihre Betriebstemperaturen so gut wie möglich übereinstimmen.

Erfolgt die Ansteuerung mit konstanter Spannung, ist kein thermisches Durchgehen mehr zu befürchten, allerdings können die Ströme in den Strings hierbei stark differieren. Alle Strings sind hier unabhängig voneinander. Der Strom in einem String hat also keinen direkten Einfluss auf den Strom im anderen String. Die Ausfalltoleranz ist hier deshalb recht gut, solange die Ansteuerung durch eine Spannungsquelle erfolgt. Sie verschlechtert sich dagegen, wenn der Strom in einem String über Vfb geregelt wird. Sollte in diesem Fall eine LED ausfallen und keinen Strom mehr durchlassen, erhöht die Regelschaltung die Ansteuerspannung, was schließlich zu einer Überspannung am ungeregelten String und in der Folge zu einem Ausfall führen kann. Die in Bild 1 (Schaltung A) gezeigte Schaltung kommt also in Frage, wenn die Ansteuerung mit einer ungeregelten Konstantspannungsquelle erfolgt. Sie bietet dagegen nicht präzise Anpassung der Ströme in den einzelnen LED-Strings, die in anspruchsvolleren Anwendungen nötig ist.

In Bild 1 (Schaltung B) ist zur Regelung der Ströme in beiden Strings ein Stromspiegel implementiert worden. Im ersten String dient die am Messwiderstand Rs1 abgegriffene Feedback-Spannung Vfb zur Regelung des Stroms. Die Übereinstimmung der Vbe-Werte von Q1 und Q2 wird hier genutzt, um dieselbe Spannung an Rs2 einzustellen. Sind die Spannungsabfälle und Widerstandswerte der beiden Messwiderstände identisch, fließt im zweiten String zwangsläufig der gleiche Strom. Die Regelgenauigkeit hängt hier im Wesentlichen davon ab, wie gut die Vbe-Werte von Q1 und Q2 übereinstimmen. Mit einem Doppeltransistor lassen sich hier temperatur-, prozess- und losbedingte Schwankungen reduzieren.

Die Schaltung bietet eine angemessene Genauigkeit. Wegen differierender Basisströme und dem Verhältnis zwischen Vbe und Rs ist sie jedoch keineswegs perfekt. Ein größeres Verhältnis zwischen Vfb und Vbe senkt zwar die Fehler, bringt aber eine höhere Verlustleistung mit sich. Mit zusätzlichen Basiswiderständen an Q1 und Q2 lässt sich die Genauigkeit ebenfalls verbessern.

Ein Aspekt betrifft die Verlustleistung in einem Doppeltransistor Q1/Q2. Die meisten angepassten Transistorpaare werden ausschließlich in kleinen Gehäusen beispielsweise vom Typ SOT-23 angeboten. Diese verkraften lediglich Verlustleistungen von ein paar hundert Milliwatt. Wenn an den LEDs im ersten String mehr Spannung abfällt als am zweiten String, liegt die Spannungsdifferenz an der Kollektor-Emitter-Strecke von Q2. Der nutzbare Strom kann deshalb weniger als 100 mA betragen, wenn für die Differenz der String-Spannungen einige Volt einkalkuliert werden.

Ein anderes Problem stellt sich ein, wenn der erste String eine geringere Spannung erfordert als der zweite. Mithilfe der Rückkopplung wird die Ausgangsspannung so eingestellt, dass der erste String korrekt geregelt wird. Am zweiten String existiert jedoch eine zu geringe Spannungsreserve, sodass sein Strom sinkt. Dies lässt sich mit einem Serienwiderstand im ersten String kompensieren, wenn auch auf Kosten höherer Verluste.

Ein Vorteil dieser Stromspiegel-Technik ist, dass sie sich auf zusätzliche Strings erweitern lässt, indem man die jeweiligen Basisanschlüsse miteinander verbindet. Ungünstig ist die fehlende Ausfalltoleranz: wenn eine LED im ersten String ausfällt und den Stromkreis unterbricht, fällt auch der zweite String aus. Das Umgekehrte ist jedoch nicht der Fall, da der zweite String dem ersten folgt. Kommt es also im zweiten String zu einer Unterbrechung, bleibt der erste nach wie vor intakt. Allerdings ist hier ein Überspannungsschutz nötig, da die Ausgangsspannung bei einem Ausfall des ersten Strings unkontrolliert ansteigt, sodass eine unzulässig hohe Spannung an die LEDs gelangt.

Die in Bild 2 gezeigte Konfiguration ermöglicht die unabhängige Regelung der Ströme in den einzelnen Strings. Die Ausgangsspannung ist auf einen festen Wert eingestellt, der ausreichend Reserven für die maximal mögliche Schwankung der LED-Flussspannungen bietet. Die Ausgangsspannung ist deshalb zumindest für einen String deutlich höher als eigentlich nötig, jedoch wird der Strom stets auf den erforderlichen Wert geregelt. Die Operationsverstärker regeln jeweils die Gate-Spannung des zugehörigen FET und variieren damit dessen Widerstand so, dass die am Messwiderstand abgegriffene Spannung der externen Referenzspannung entspricht. Auf diese Weise wird der LED-Strom auf den Sollwert geregelt. In ihrer Funktionsweise entspricht diese Schaltung einem Linearregler. Da der Strom jeweils stringweise geregelt wird, kann für alle Strings eine einheitliche Spannung verwendet werden.

Diese Lösung ist zwar effektiv, aber nicht so effizient, denn wegen der Spannungs-Diskrepanz zwischen beiden LED-Strings fällt in den FETs zusätzliche Leistung ab, die bei der Dimensionierung der Bausteine beachtet werden muss. Es werden jedoch nur preisgünstige FETs mit Leistungs-Gehäuse benötigt, und der RDS(on)  darf 1 Ω oder auch mehr betragen. Auch die Schaltgeschwindigkeit kann relativ hoch sein, da die FETs im linearen Bereich betrieben werden. Diese Lösung ist komplexer als die Konfiguration aus Bild 1. Sie hat aber den Vorteil einer höheren Ausfalltoleranz und funktioniert auch dann noch, wenn es in einer oder zwei LEDs zu einem Kurzschluss kommt. Bei einer Stromkreisunterbrechung in einer LED bleibt der andere String funktionsfähig.

Die Testschaltung in Bild 3 basiert auf dem in Bild 2 gezeigten Prinzip und wurde durch einige zusätzliche Features ergänzt. Bei dem markierten Schaltungsteil (D33 - D35) handelt es sich um einen Pegelumsetzer. Dieser wurde hinzugefügt, um die höheren Verluste der Schaltung aus Bild 2 in den Griff zu bekommen, indem die Spannung am Drain-Anschluss der FETs auf maximal 1 V begrenzt wird. Da zwei FETs vorhanden sind, wird nur die FET-Spannung des Strings mit der höheren Spannung geregelt, während der andere FET die Differenz aufnimmt. Entscheidende Verluste treten in dieser Schaltung nur dann auf, wenn ein echtes Spannungs-Ungleichgewicht zwischen den Strings besteht, während die Verluste – anders als bei der Schaltung aus Bild 2 – bei Spannungsgleichheit minimiert werden, sodass der Wirkungsgrad höher ist.

Weitgehend gleiche Spannungen sind bei längeren Strings wahrscheinlicher als eine große Spannungsdifferenz. Der Strom im String wird durch Anheben oder Verringern der Drain-Spannung des jeweiligen FET geregelt. Wenn beispielsweise der LED-Strom im linken String zu gering ist, wird der FET weiter eingeschaltet, wodurch seine Drain-Spannung sinkt (damit mehr Spannung an den String gelangt). Die Drain-Spannung wird von D33 und D35 (deren Anode jetzt auf demselben Potenzial liegt wie der Drain-Anschluss des FET) abgetastet und dem Spannungsrückkopplungs-Teil von U3D zugeführt, um die Ausgangsspannung so weit anzuheben, bis an der Drain eine Spannung von 1 V liegt.

Hierdurch wird eine Ausgangsspannung von n × Vf + 1 V eingestellt (darin ist n die Zahl der LEDs im String und Vf die Flussspannung einer LED). Ist der Strom im anderen String zu niedrig, tritt der Pegelumsetzer (D34 und D35) in Funktion. Die Aufgabe der weiteren Bauelemente im Pegelumsetzer-Block ist es, bei einer Stromkreisunterbrechung in einer LED die maximale Ausgangsspannung zur Verfügung zu stellen. Die Höhe dieser Spannung wird durch die Verlustleistung im FET bestimmt. Diese wiederum richtet sich nach dem Gehäuse und der Wärmeableitfähigkeit des FET und ist im vorliegenden Fall mit rund 0,7 W angesetzt. Unterbricht eine LED defektbedingt den Strom, fällt die Spannung am zugehörigen FET auf null, wodurch die Regelung wegen des Feedback-Signals von unverändert 0 V die größtmögliche Ausgangsspannung einstellt.

Die zusätzlichen Bauelemente des Pegelumsetzers lassen ein Anheben der Ausgangsspannung auf einen Wert von etwa n × Vf + 1 V + 5 V zu. Dieser bietet dem anderen String genügend Reserven für einen einwandfreien Betrieb. Kommt es zu einem Kurzschluss in einer LED, übernimmt der FET des betreffenden Strings die zusätzliche Spannung und Verlustleistung. Die gezeigte Schaltung kann die Regelung auch bei zwei kurzgeschlossenen LEDs (bei roten LEDs mit Vf = 2,1 V) aufrechterhalten. Eine zweite Z-Diode (D6) wird für den Fall hinzugefügt, dass beide Strings unterbrochen werden.

Wenn ein Fehlersignal benötigt wird, lässt sich ein unterbrochener String an einem Abfall der FET-Spannung unter 1 V erkennen. Als zusätzliches Feature kann eine weitere Regelschleife ergänzt werden, die den Eingangsstrom während der Einschaltphase (oder bei Unterbrechungen der Versorgungsspannung) auf einen bestimmten Maximalwert limitiert, um die Stromversorgung nicht zu überlasten. Die Schaltung aus Bild 3 enthält viele Funktionen für die Regelung parallelgeschalteter LED-Strings. Diese Funktionen wurden in ähnlicher Form in viele moderne LED-Controller (z. B. die ICs LM3492, LM3466 und LP8556) integriert, was insgesamt Leiterplattenfläche und Kosten spart.

Zusammenfassung

Der Betrieb mehrerer parallelgeschalteter LED-Strings birgt verglichen mit Einzel-Strings einige zusätzliche Herausforderungen. Diese hängen beispielsweise mit Spannungs-Differenzen, der Stromregelungs-Methode, dem Minimieren der Verlustleistung und dem Umgang mit Fehlerzuständen zusammen. Die einfachste Möglichkeit ist der Betrieb mit einer fest eingestellten Spannung und einem Serienwiderstand zur Festlegung der Stromstärke. Wenn die Ansprüche an die Leistungsfähigkeit höher sind und Schutzfunktionen gewünscht werden, empfiehlt sich stattdessen die Einzelregelung der Strings, die ein Maximum an Regelgenauigkeit und Flexibilität bietet. Die am Ende des Beitrags vorgestellte Schaltung senkt zusätzlich die Verlustleistung, indem sie die Spannungsreserve der Stromregler anpasst und detaillierte Schutz- und Fehlerschaltungen enthält.

Referenzen

Datenblätter und Applikationsschriften: www.ti.com/lm3492-ca, www.ti.com/lp8556-caund www.ti.com/tps40211-ca

Über den Autor

John Betten ist als Applications Engineer und Senior Member of Group Technical Staff bei Texas Instruments tätig. Er verfügt über mehr als 28 Jahre Erfahrung im Design von AC/DC- und DC/DC-Wandlern. Betten besitzt einen Bachelor-Abschluss in Elektrotechnik von der University of Pittsburgh und ist Mitglied des IEEE. Sie erreichen ihn unter ti_johnbetten@list.ti.com.