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Abwärtsregler für High-Power-LEDs

Kfz-Außenbeleuchtungen verbessern

22. Januar 2018, 9:35 Uhr | Von Nazzareno Rossetti und Yin Wu

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Das Scheinwerfersystem

Um sowohl die Eingangsspannungsvariablen (Load-Dump oder Kaltstart) als auch die EMI-Emissionen handhaben zu können, nutzen ausgeklügelte Scheinwerfersysteme einen Aufwärtswandler (Boost) als Front-End. Der Aufwärtswandler liefert eine gut geregelte und ausreichend hohe Ausgangsspannung (Bild 1). Spezielle Abwärtswandler (Buck), die mit dieser stabilen Eingangsversorgung arbeiten, können dann die Intensität und Position der Scheinwerfer steuern, indem sie je einen Abwärtswandler für die Regelung jeder einzelnen Funktion wie Fernlicht, Abblendlicht, Nebellicht, Tagfahrlicht oder Position vorsehen.

In dieser Anwendung legt der Hauptregelkreis eines jeden Abwärtswandlers den Strom in seiner LED-Reihe fest. Das geschieht mit zwei Sekundärschleifen, die den Überspannungs- und Überstromschutz realisieren.

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Typische Lösung mit einem Abwärtsregler für High-Power-LEDs

Bild 2 stellt eine typische Abwärtsreglerlösung für LEDs dar. Sie verwendet einen p-Kanal-High-Side-MOSFET, der im Vergleich zu einem n-Kanal-Transistor einen relativ hohen RDS(ON) aufweist, und eine nicht-synchrone Reglerarchitektur mit Schottky-Diode D zur Stromrückführung. Beide sind sichere Zeichen einer ineffizienten Umsetzung.

Typisches Einschwingverhalten

Bild 3 zeigt anhand des Einschwingverhaltens einen weiteren Mangel einer solchen Lösung. Bei diesem Test mit einer Reihe von zwölf LEDs.

ist die Anzahl der angesteuerten Dioden im Betrieb von acht auf zwölf LEDs umgeschaltet worden. Die resultierende Ausgangsspannungsstufe erzeugt Strom- und Spannungsschwankung, die innerhalb von einigen zehn Mikrosekunden ausgeregelt werden. Eine PWM-Schaltung mit hohem Dimm-Verhältnis wird diesen abgefallenen Strom abtasten und die Farbe und Helligkeit der eigeschalteten LEDs unerwünscht verändern.

Synchrone Lösung mit einem Abwärtstreiber für High-Power-LEDs

Eine ideale Lösung sollte die Anforderungen eines breiten Eingangsspannungsbereichs, eines schnellen Einschwingverhaltens sowie einer hohen, gut geregelten Schaltfrequenz erfüllen und bei synchroner Gleichrichtung einen hohen Wirkungsgrad ermöglichen. Der LED-Controller MAX20078 von Maxim unterstützt eine derartige Lösung (Bild 4).

Der MAX20078 setzt eine proprietäre Average-Current-Mode-Regler-Topologie zur Steuerung des Stroms in der Induktivität ein, bei der eine nahezu konstante Schaltfrequenz beibehalten wird. Er arbeitet mit einem Eingangs-spannungsbereich von 4,5 bis 65 V bei Schaltfrequenzen bis zu 1 MHz und unterstützt sowohl analoges als auch PWM-Dimmen. Der LED-Controller ist in einem 3 mm x 3 mm großen 16-Pin-TQFN-Gehäuse (regulär oder Side Wettable) oder einem 16-Pin-TSSOP erhältlich.

Hoher Wirkungsgrad

Bild 5 zeigt den Wirkungsgrad eines MAX20078-basierten LED-Treibers im Vergleich zur Versorgungsspannung. Zwei 107-mΩ-Synchrongleichrichter-MOSFET-Transistoren bieten über einen weiten Versorgungspannungsbereich einen hohen Wirkungsgrad.

Genaue Überwachung der Lichtintensität

Die proprietäre Architektur des MAX20078 erzeugt ein Einschwingverhalten, das verglichen mit dem in Bild 4 gezeigten praktisch fehlerfrei ist. Die Zunahme der Diodenanzahl von acht auf zwölf ergibt keine nennenswerten Schwankungen in der Ausgangsspannung oder beim Strom (Bild 6).

Betrieb mit hoher Frequenz

Die Einschaltzeit des MAX20078 kann für Schaltfrequenzen von 100 kHz bis zu 1 MHz

programmiert werden.. Sie variiert proportional zu Eingangsspannung und Ausgangsspannung, was eine nahezu konstante Schaltfrequenz ergibt. Mit dem MAX20078 lässt sich eine hohe, gut geregelte Schaltfrequenz außerhalb des AM-Frequenzbandes einfach einstellen. Durch die Spread-Spectrum-Funktion des ICs werden HF-Störungen verringert und EMI-Standards eingehalten.

Anforderungen erfüllt

Sie variiert proportional zu Eingangsspannung und Ausgangsspannung, was eine nahezu konstante Schaltfrequenz ergibt. Mit dem MAX20078 lässt sich eine hohe, gut geregelte Schaltfrequenz außerhalb des AM-Frequenzbandes einfach einstellen. Durch die Spread-Spectrum-Funktion des ICs werden HF-Störungen verringert und EMI-Standards eingehalten.

Der Autor

Nazzareno Rossetti
ist ein Experte in Analogtechnik und Powermanagement, hat als Autor publiziert und hält verschiedene Patente auf diesem Sektor. Er besitzt einen Doktortitel der Elektrotechnik von der Universität Politecnico di Torino, Italien.

Yin Wu

ist bei Maxim Integrated als Business-Manager für Halbleiter tätig. Er verfügt über einen Master in Business Administration von der Santa Clara University und einen Master in Elektrotechnik von der San Jose State University.