DC/DC-Wandler für LED-Blitzlichter EMV-gerechter Blitz

In einem Mobiltelefon oder Smartphone muss der Akku mehrere Funktionen versorgen, zu denen unter anderem der LED-Blitz der Kamera gehört. Allerdings wirkt sich jedes Schaltrauschen, das der Blitztreiber erzeugt, auf alle übrigen Lasten aus, von denen einige, zum Beispiel der HF-Empfänger und Leistungsverstärker, anfällig für Rauschen sind. Eine neue Blitztreiberserie arbeitet mit zwei verschiedenen, fixen Schaltfrequenzen, sodass sich daher ohne großen Aufwand ein passendes EMV-Filter entwickeln und optimieren lässt.

Bei LED-Blitztreibern in Mobil-telefonen oder Smartphones (Bild 1) kommen heutzutage meist Topologien mit variabler Schaltfrequenz zum Einsatz.

Infolgedessen enthalten die Geräte heutzutage relativ große, komplexe und kostspielige Schaltungen, um dieses Schaltrauschen zu dämpfen oder gar zu blockieren und so rauschempfindliche Schaltungsteile zu schützen. Die Entwicklung dieser Schaltungen ist schwierig und zeitaufwändig.

Aus der Sicht der Systementwickler wäre es vorteilhafter, wenn das Rauschen bei einer oder mehreren festen, bekannten Frequenzen auftreten würde. Normalerweise werden LED-Blitz-Treiberschaltungen über einen Aufwärtswandler (Boost) implementiert.

Um die eine oder die mehreren LEDs mit dem vorgegebenen Strom anzusteuern, muss der Hochsetzsteller eine Ausgangsspannung erzeugen, die gleich oder höher als die Vorwärtsspannung der LEDs plus der Mindestausgangsspannung durch die Stromsenke ist, bei der sie den vorgegebenen Strom ansteuern kann (Compliance).

Bild 2 zeigt eine typische Anwendungsschaltung. Um die erforderliche Ausgangsspannung zu erzeugen, arbeitet der DC/DC-Wandler in Abhängigkeit vom Verhältnis zwischen der Akkuspannung und der erforderlichen Ausgangsspannung in einer von drei Betriebsarten, wobei sich dieses Verhältnis im Verlauf des Entladezyklus‘ des Akkus ändert. So ist die Akkuspannung bei voll aufgeladenem Akku hoch und fällt dann über die Zeit auf eine niedrige Entladeschlussspannung ab.

Daraus ergeben sich folgende drei Betriebsarten:

  • Ist die erforderliche Ausgangsspannung kleiner als die Akkuspannung, kann der Wandler im Durchlassmodus ohne Schalten und damit ohne Rauschen arbeiten. In dieser Betriebsart ist die Batteriespannung hoch genug, um die LEDs direkt, also ohne Boost, anzusteuern.
  • Ist die Akkuspannung um mehr als einen bestimmten Mindestwert unter die erforderliche Ausgangsspannung gefallen, kann der Wandler mit einer festen Frequenz arbeiten. So werden die heute verwendeten Hochsetzsteller im Allgemeinen mit 2 MHz, 3 MHz oder 4 MHz betrieben. Bei einem 4-MHz-Wandler wie dem »AS3648« von ams (Bild 2) können kleinere, externe Spulen zum Einsatz kommen als bei einem 2-MHz- oder 3-MHz-System, wobei gleichzeitig ein geringer Spannungsbrumm (Ripple) am Ausgang beibehalten wird. Somit lässt sich das vom DC/DC-Wandler erzeugte Schalt-rauschen problemlos herausfiltern, unabhängig von der von ihm verwendeten festen Frequenz.
  • Probleme treten erst dann auf, wenn die Ausgangsspannung geringfügig höher ist als die Akkuspannung: Hier arbeitet der Hochsetzsteller nicht mehr effizient, wenn er bei seiner festen Frequenz schaltet. Herkömmliche Stromversorgungen verwenden in diesem Arbeitspunkt den sogenannten »Pulse Skipping«-Modus. Dabei werden je nach Verhältnis von Akkuspannung zu Ausgangsspannung und Ausgangsstrom ganze Schaltzyklen ausgelassen. Durch diese Betriebsart (siehe Bild 3) kann der Wandlers hoch effizient arbeiten. Allerdings variiert die Schaltfrequenz durch das Auslassen von Schaltzyklen mehr oder weniger unkontrolliert, und man muss in Kauf nehmen, dass sich dadurch das Herausfiltern des Rauschens am Akku sehr schwierig gestaltet.

Zwei fest Frequenzen

Der Smartphone-Entwickler wünscht sich also einen DC/DC-Wandler, der die Eingangs- beziehungsweise Akkuspannung effizient hochsetzen kann, wobei gleichzeitig variable Schaltfrequenzen vermieden werden. Die Firma ams hat jetzt eine Reihe von Hochsetzstellern entwickelt, die zwischen zwei festen Frequenzen (1 MHz und 4 MHz) während des Betriebs hin- und herschalten können.

Mithilfe eines neuartigen Verfahrens wählt der Baustein automatisch die Frequenz, mit der die Akkuspannung am effizientesten in die erforderliche Ausgangsspannung konvertiert wird. Dieses Design vermeidet also variable Frequenzen. Der Schlüssel zum Betrieb dieser neuen Bausteine der Serien »AS3643«, »AS3647« und »AS3648« besteht in der Fähigkeit, zu erkennen, wann der normale 4-MHz-Betrieb ineffizient wird und wann in den 1-MHz-Modus mit fixer Frequenz geschaltet werden sollte, wann also ein herkömmlicher Wandler in den Pulse-Skipping-Modus mit variabler Frequenz wechseln würde.

Diese Erkennung wird mit der Schaltung in Bild 4 durchgeführt. Ist eine Blitz-LED angeschlossen, erzeugt der Aufwärtswandler die Ausgangsspannung VOUT. Der Strom durch diese LED wird durch eine Stromsenke geregelt. Zwei Komparatoren, »low_vds« und »high_vds«, überwachen die Spannung über der Stromsenke. Steigt diese Spannung über »VHIGH_VDS«, wird das RS-Flipflop vom Komparator »high_vds« gesetzt. Sinkt die Spannung durch die Stromsenke unter »VLOW_VDS«, setzt sich das Flipflop zurück.

Ist das interne Registerbit »freq_switch_on« gesetzt, wird der Hochsetzsteller durch den »Zwangs-PWM«-Eingang in einen festen PWM-Modus gezwungen. Die Puls-Skipping-Betriebsart kommt dabei nicht zum Einsatz. Darüber hinaus aktiviert »freq_switch_on« die 1-MHz/4-MHz-Takterzeugungsschaltung.

Standardmäßig arbeitet der Wandler bei 4 MHz. Wegen der internen Mindesteinschaltzeit ton,min der NMOS-Schalter wird die Spannung am Ausgang über das Mindesttastverhältnis dutymin festgelegt; es gilt Gleichung (1).

(1)
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Dieses Mindesttastverhältnis definiert die Mindestausgangsspannung entsprechend der Topologie des Aufwärtswandlers nach Gleichung (2).

(2)
«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»V«/mi»«mi»OUT«/mi»«/msub»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»§#8805;«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«msub»«mi»V«/mi»«mi»BAT«/mi»«/msub»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»§#183;«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mfrac»«mn»1«/mn»«mrow»«mn»1«/mn»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«msub»«mi»duty«/mi»«mi»min«/mi»«/msub»«/mrow»«/mfrac»«/math»
Demnach gilt bei einer ton,min von beispielsweise 50 ns: VOUT ≥ 1,25 ∙ VBAT. Ist diese Spannung höher als die Vorwärtsspannung der LED und die Compliance-Spannung der Stromsenke, wird die überschüssige Energie einfach über die Stromsenke abgeführt. Um diesen Energieverlust zu begrenzen und den Wirkungsgrad in dieser Betriebsart zu verbessern, vergleicht der Komparator »high_vds« die Spannung an der Stromsenke mit »VHIGH_VDS«.

Überschreitet die Spannung an der Stromsenke diese Grenze, wechselt die Schaltung auf die Betriebsfrequenz 1 MHz. Wie im Fall vorher wird die Spannung am Ausgang über das Mindesttastverhältnis dutymin festgelegt (Gleichung (3)).

(3)
«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»duty«/mi»«mrow»«mi»min«/mi»«mo»§nbsp;«/mo»«/mrow»«/msub»«mfenced»«mrow»«mn»1«/mn»«mo»§nbsp;«/mo»«mi»MHz«/mi»«/mrow»«/mfenced»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mfrac»«msub»«mi»t«/mi»«mrow»«mi»on«/mi»«mo»,«/mo»«mi»min«/mi»«/mrow»«/msub»«mrow»«mn»1«/mn»«mo»§nbsp;«/mo»«mi»§#956;s«/mi»«/mrow»«/mfrac»«/math»
Für dieselbe Mindesteinschaltzeit von 50 ns gilt analog zu Gleichung (2): VOUT ≥ 1,053 ∙ VBAT. Da die Mindestausgangsspannung jetzt kleiner ist, steigt der Wirkungsgrad, weil nun sehr viel weniger Energie über die Stromsenke abgeführt werden muss. Ändern sich die Betriebsbedingungen und ist die Mindestausgangsspannung zur Ansteuerung der vorgegebenen LED-Spannung nicht hoch genug, wird der Komparator »low_vds« ausgelöst und der Wandler wechselt wieder in den 4-MHz-Betrieb.

In fast allen Bereichen effizienter

Wie Bild 5 zeigt, kann man durch zwei feste Frequenzen (1 MHz und 4 MHz) einen hohen Wirkungsgrad beibehalten, der in den meisten Fällen über 80 % liegt. Der Übergang zwischen den verschiedenen Betriebsarten ist in Bild 5 deutlich zu sehen:

  • Durchlassmodus (VBAT > 4,7 V): Da die Batteriespannung für die direkte Ansteuerung der LED hoch genug ist, muss der DC/DC-Wandler nicht eingeschaltet werden.
  • 1-MHz-Betrieb, Mindesttastverhältnis (4,4 V < VBAT < 4,7 V): Die Ausgangsspannung ist geringfügig höher als die Batteriespannung. Effizienter Betrieb des Wandlers im Zwangs-PWM-Modus mit 1 MHz.
  • 4-MHz-Betrieb, Mindesttastverhältnis (3,95 V < VBAT < 4,4 V): Die im 1-MHz-Betrieb bei Mindesttastverhältnis erzeugte Ausgangsspannung reicht nicht für die LED-Ansteuerung aus, sodass der AS3648 bei 4 MHz in den Modus mit Mindesttastverhältnis schaltet.
  • 4-MHz-Betrieb, Regelung über Tastverhältnis (VBAT < 3,95 V): Da das Mindesttastverhältnis im 4-MHz-Betrieb keine ausreichend hohe Ausgangsspannung zur Ansteuerung der LEDs erzeugt, wird das Tastverhältnis erhöht, um einen festen Strom durch die LEDs beizubehalten.

Dieses Konvertierungsverfahren ist nur in einem sehr kleinen Bereich (VBAT zwischen 3,95 V und 4,4 V) weniger effizient als ein DC/DC-Wandler im Puls-Skipping-Modus.

Für viele Entwickler wird dieser kleinere Wirkungsgradverlust jedoch durch folgenden Vorteil aufgewogen: EMV-Anforderungen lassen sich sehr viel einfacher erfüllen, wenn das Rauschen bei zwei bekannten, fixen Frequenzen auftritt als über einen variablen, breiten Frequenzbereich. Dadurch lassen sich EMV-Filter ohne großen Aufwand entwickeln und optimieren, woraus sich ein kürzerer Entwicklungszyklus, ein geringerer Entwicklungsaufwand und eine schnellere Markteinführung ergeben können.

Bei Designs, bei denen der größtmögliche Wirkungsgrad die wichtigste Designanforderung ist, können Anwender den AS3648 auch im Puls-Skipping-Modus, der durch ein Regis-terbit aktiviert wird, betreiben.

Über den Autor:

Peter Trattler ist Senior Product Manager bei ams.

Wer ist »ams«?   
Unter dem Namen »ams« vereinen sich seit Mai 2012 die Marken des Analog-Halbleiterherstellers austriamicrosystems und von TAOS, dem 2011 erworbenen Anbieter von Lichtsensoren. Das Unternehmen verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung im Bereich analoger Halbleiter. Diese Expertise möchte nun ams in Verbindung mit seinen selbst entwickelten CMOS-, Hochvolt-CMOS- und SiGe-Fertigungsprozessen nutzen, um neue High Performance-Standardprodukte und ASICs für die weltweiten Märkte Consumer, Kommunikation, Industrie, Medizintechnik und Automotive zu entwickeln.