LED-Treiber Höhere Flexibilität bei geringeren Kosten

Ein LED-Treiber ist für eine LED-Beleuchtung ein unverzichtbares Bauelement, weil ein stabiler Betrieb der LED nur mit einer stabilen Regelung des Vorwärtsstroms möglich wird. Elektronik-Redakteur Dr. Jens Würtenberg befragt Dr. Ir. Rob Fronen, IC development manager bei Rohm Semiconductor zu Konzeption und Positionierung des neuen LED-Treiberbausteins BD8381EFV.

Herr Dr. Fronen, einige LED- und Licht-Experten plädieren beim Dimmen der LEDs für einen Verzicht auf die Pulsbreitenmodulation zugunsten einer Gleichspannungsregelung. Würden Sie dies den Entwicklern auch empfehlen und welche Vor- und Nachteile sehen Sie bei den beiden Verfahren?

Dr. Ir. Rob Fronen: Der wesentliche Vorteil des Dimmens per Pulsbreitenmodulation (PWM -- Pulse Width Modulation) besteht darin, dass hier ein sehr gute Linearität erreicht wird und, eben wegen des konstant bleibenden Strom IF keine Farbverschiebungen der LED auftreten können. Der Vorteil der Gleichstrom-Regelung wiederum besteht darin, dass das Ausgangssignal der LED, das Licht, nicht "rauscht", also nicht flackert. Die Gleichstrom-Regelung verursacht jedoch eine Farbverschiebung. Wir sehen diese Methode daher als geeignet an, besondere Zustände wie etwa einem Abfallen der Batteriespannung entgegenzuwirken. Das PWM-Dimmen hingegen ist besser geeignet, die Anforderungen des Dimmens unter normalen Betriebsbedingungen zu erfüllen.

Könnten Sie anhand einer konkreten Beschaltung eines BD8381-EFV-M erläutern, wie der Gleichspannungsbetrieb bei ihrem Baustein aussieht? Wie werden die besonderen Probleme der Gleichspannungsregelung in einer LED-Kette vermieden?

Fronen: Die Gleichstrom-Regelung bei BD8381EFV wird mit Hilfe eines externen Thermistors aufgesetzt. Dieser wird mit dem THM-Anschluss verbunden, so wie es im Schaltbild für die Beschaltung als Auftwärts/Abwärts-Spannungsregler gezeigt ist (Bild). Es ist auch möglich, einen anderen Temperatur-Sensor zu benutzen. In jedem Fall reduziert der Regler bei einem Anstieg der Temperatur die Versorgungsspannung.

Die LED hat gegenüber den Glühlampen den Nachteil, dass sie ihre Verlustwärme nicht über Strahlung los wird. Das aber führt dazu, dass der Wärmeabfuhr in der Konstruktion ein wesentliches Augenmerk gilt. Wie könnte nach Ihrer Meinung die elektronische Beschaltung helfen, die Situation hier zu verbessern?

Fronen: In der Tat hoffen viele Anwender, dass mit der LED als Lichtquelle die thermischen Probleme automatisch gelöst sind, weil die LED einen so guten Wirkungsgrad besitzt. Bedauerlicherweise machen die durch das thermische Verhalten der LED vorgegebenen Randbedingungen die Sache kompliziert, weil die LED so kompakt ist, dass sie einen "Hot Spot" bildet: Die ganze Wärme entsteht in einem kleinen Volumen, sie kann nicht abgestrahlt werden. Zudem wird eine Treiber-Elektronik benötigt, die zusätzlich Wärme erzeugt.
Die Treiber-Elektronik kann allerdings dabei helfen, die thermische Last (thermal footprint) zu verringern. So lässt sich etwa mit einem hocheffizienten Schaltregler die Systemspannung, also z.B. die Batteriespannung eines Automobils oder die Netzwechselspannung, so umsetzen, dass sie in der Nähe der Vorwärtsspannung UF der verwendeten LED-Kette liegt, was die Gesamtwirkungsgrad des Systems verbessert.
Der Baustein BD8381 hat einen speziellen Eingang für den Anschluss eines Thermistors oder Temperatur-Sensors, der die Temperatur überwacht und darüber die Ausgangsspannung regelt. Dieses Konzept vereinfacht das thermische Design einer LED-Anwendung.

Wenn man sich die Schaltung etwa des LED-Treiberbausteins BD8381-EFV-M anschaut, dann fällt auf, dass es sich um einen Analog-Baustein handelt, auf dem mehrere Operationsverstärker mit klassischer Impulstechnik zusammen wirken. Wird eine nächste Generation mehr in die Richtung "Mixed Signal" gehen, oder bleiben die Anforderungen an eine LED-Ansteuerung doch eher "Middle Tech"? Oder aber gleich vollständig digital?

Fronen: Wir schauen insbesondere auf zwei Bereiche, in denen die digitale Schaltungstechnik sinnvoll ist. Da ist zunächst die Digitalisierung der Temperatur-Messung, um so die Eingangsspannung für die LEDs präziser steuern zu können. Dann folgt die digitale Strommessung, mit der dann eine LED-Auswahl während der Fertigung möglich werden könne. Diese beiden Bereiche könnten zuerst in einer künftigen Generation durch digitale Schaltungen ersetzt werden. Längerfristig kann auch über einen vollständig in Digitaltechnik ausgeführten LED-Treiber nachgedacht werden.

Die Konzeption eines LED-Moduls für einen Automobilscheinwerfer ist offenbar eine Sache, die Entwicklung einer dazu passenden Treiberschaltung eine andere. Ist es vom Standpunkt des Produktmarketings nicht sinnvoller, diese beiden Elemente gleich in ein Modul zu integrieren? Welche technischen Gründe stehen dem entgegen?

Fronen: Vom technischen Standpunkt aus gesehen wird ein Modul kompakter auszuführen sein. Darüber hinaus kann das Design hinsichtlich der Robustheit, der thermischen Eigenschaften und des Wirkungsgrades näher an die physikalischen Grenzen herangeführt werden. LED-Autoscheinwerfer stehen, was die Marktentwicklung betrifft, in der Einführungsphase. Das hat natürlich zur Folge, dass die Stückzahlen noch niedrig sind und dass viele verschiedene Lösungen auf der Grundlage unterschiedlichster LED-Konfigurationen in Betracht gezogen werden. Wird ein entsprechendes Modul zu früh auf den Markt gebracht, dann würde dies zu Lasten der Flexibilität gehen und zudem eine schnelle Entwicklung dieser Systeme beeinträchtigen.