LED-Treiber für Lighting Parallele LED-Ketten effektiv und intelligent ansteuern

Bild 1. Die Stromversorgung und das Treiben paralleler LED-Ketten.
Bild 1. Die Stromversorgung und das Treiben paralleler LED-Ketten.

LEDs haben sich in vielen Anwendungen durchgesetzt. Ihre Vorteile sind Kompaktheit, Effizienz, hohe Beständigkeit und lange Lebensdauer. In den meisten Applikationen wird jedoch mehr als eine LED verwendet, um die gewünschte Helligkeit zu erreichen. Mehrere LEDs werden miteinander in Serie verbunden, alle LEDs weisen dann eine identische Stromstärke und damit die gleiche Helligkeit auf.

Werden viele LEDs zu einer Kette (String) verknüpft, erreicht die Gesamtspannung einen sehr hohen Wert. Um dieses Problem zu umgehen, werden mehrere LED-Ketten parallel miteinander verbunden (Bild 1).

Dies führt jedoch dazu, dass eine Kette einen etwas höheren Strom als die anderen aufnimmt. Aufgrund des negativen Temperaturkoeffizienten kommt es zum „thermal runaway“, bei dem Strom und Temperatur stetig ansteigen, bis die Kette schließlich komplett ausfällt.

Die Folge ist, dass die anderen LED-Ketten nacheinander die gleichen Reaktionen aufweisen. Deshalb ist es notwendig, einen Treiber für parallele LED-Ketten mit folgenden Eigenschaften zu entwickeln:

  • Alle Ketten weisen eine identische Stromstärke auf.
  • Die Stromstärke ist temperatur-unempfindlich, so dass kein thermisches „Durchgehen“ (Runaway) auftreten kann.
  • Hoher Wirkungsgrad des Systems.
  • Das Dimmen und Einstellen der Helligkeit und der Farbe der LED ist möglich.
  • Die Lösung ist ökonomisch und lässt sich in verschiedenen Power-Bereichen von einigen 10 W bis zu einigen 100 W skalieren.

Die IC-Treiber von Atmel für parallele LED-Strings erfüllen diese Anforderungen bei hoher Leistungsfähigkeit und großer Vielseitigkeit. Der Hersteller liefert eine Vielzahl von IC-Varianten mit externen und integrierten MOSFET-Stromsenken mit vier bis 16 unabhängigen LED-Treiber-Kanälen.

Bei der Entwicklung eines LED-Treibersystems muss die Versorgungsspannung immer mit hoher Effizienz in die zum korrekten Betreiben der LED notwendige Spannung umgewandelt werden, wobei entweder DC/DC- oder AC/DC-Wandler verwendet werden. Darüber hinaus müssen die LEDs von einer Stromquelle getrieben werden. Bei mehreren, parallel geschalteten LED-Ketten muss jede dieser Ketten von einer separaten Stromquelle getrieben werden.

Ein Weg, um diese Vorgaben wirtschaftlich und mit wenig Aufwand zu erfüllen, besteht darin, die erforderliche Gleichspannung mit einem DC/DC-Wandler zu erzeugen. Mit dieser Spannung werden dann lineare Kon-stantstromregler getrieben. Für jede LED-Kette muss ein separater Regler verwendet werden (Bild 2).

Da die Spannungen der LED-Ketten voneinander leicht variieren, muss eine Schaltung implementiert werden, die die Spannungswerte der einzelnen LED-Ketten bestimmt und bei Bedarf eine Korrektur der Ausgangsspannung der DC/DC-Wandler durchführt. Dabei muss gleichzeitig sichergestellt werden, dass die Spannung ausreichend hoch ist, um ein fehlerfreies Arbeiten der LED-Ketten mit der höchstmöglichen Ausgangsspannung zu garantieren. Diese Arbeitsweise ist im Baustein MSL2160 implementiert.

Bild 3 zeigt ein vereinfachtes Schema der Implementierung eines Treibers für parallele LED-Ketten unter Verwendung des Bausteins MSL2160. In der Praxis ist natürlich nicht, wie dargestellt, nur eine einzige LED-Kette vorhanden, sondern es sind mehrere LED-Ketten parallel angeordnet. In diesem besonderen Beispiel entspricht die LED-Spannung dem Ausgang eines generischen Aufwärtsreglers (Boost Converter), wobei jedoch jede beliebige Wandlertopologie verwendet werden kann.

Um die Wirkungsweise der Stromquellen zu optimieren, muss der MSL2160 Zugriff zum Gegenkopplungsknoten des DC/DC-Wandlerausgangs haben. Dort injiziert der MSL2160 einen Regelstrom und stellt so die Ausgangsspannung des Wandlers richtig ein.

Die Verlustleistung jedes einzelnen Stromquellen-MOSFETs entspricht der Differenz der Ausgangsspannung Uout und der Spannung ULED, die an den LEDs abfällt:

«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»P«/mi»«mi»dis«/mi»«/msub»«mo»=«/mo»«mfenced»«mrow»«msub»«mi»U«/mi»«mi»out«/mi»«/msub»«mo»-«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«msub»«mi»U«/mi»«mi»LED«/mi»«/msub»«mo»-«/mo»«msub»«mi»U«/mi»«mi»Rs«/mi»«/msub»«/mrow»«/mfenced»«mo»§#183;«/mo»«msub»«mi»I«/mi»«mi»LED«/mi»«/msub»«mo»=«/mo»«msub»«mi»U«/mi»«mi»DS«/mi»«/msub»«mo»§#183;«/mo»«msub»«mi»I«/mi»«mi»LED«/mi»«/msub»«/math»

Um die Verlustleistung zu minimieren, wird die Drain-Source-Spannung UDS des MOSFETs der Kette mit dem höchsten Wert für ULED auf den kleinstmöglichen Wert optimiert. Jedoch ist dabei darauf zu achten, dass bei PWM-Dimmung die Spannung UDS nicht zu klein gewählt wird, da in diesem Fall der LED-Strom in jedem Dimmzyklus sehr schnelle Stromtransienten zwischen 0 und ILED erfährt. Abhängig von der Stabilität des als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärkers können diese Transienten zum Über- bzw. Unterschwingen mit anschließendem „Ringing“ des LED-Stroms und der Drain-Spannung des FETs führen. Die Transienten dürfen die Stromquelle nicht überlasten.

Dies kann prinzipiell durch einen entsprechend hohen stationären UDS erreicht werden. Allerdings erhöht sich mit einem hohen Spannungswert UDS die Verlustleistung, die Effizienz sinkt. Die beste Lösung ist es, sicherzustellen, dass im Follower-Schaltkreis kein Ringing auftritt. Erreicht wird dies durch ein sorgfältiges Design der internen Beschaltung des MSL2160 und der anderen LED-Treiber.