Parallele LED-Ketten effektiv und intelligent ansteuern

PWM-Dimmen kann Probleme bereiten

Das PWM-Dimmen kann zusätzlich Probleme mit dem DC/DC-Wandler, der die Stromversorgung der LEDs sicherstellt, generieren. Einerseits muss der Wandler eine ausreichende Stabilität aufweisen bzw. genügend Energie speichern, damit die Ausgangspannung nicht anfängt zu schwingen oder gar einbricht. In letzterem Fall flackern die LEDs während des Dimmvorgangs.

Andererseits muss die Bandbreite der Schaltung für die Optimierung des Wirkungsgrades niedrig genug sein, dass auftretende Änderungen der Transientenspannung nicht erkannt und damit nicht  kompensiert werden (Bild 4). Die Produkt-Datenblätter geben die entsprechenden Hinweise zur Auswahl der Feedback-Widerstände sowie zur korrekten Beschaltung des Bauteils.

Der Baustein MSL2160 verfügt über eine vielseitig einsetzbare „Dimming Engine“. Wie aus Bild 5 ersichtlich, ist entweder nur PWM-Dimming, nur analoges Dimmen (string current control) oder eine Kombination aus beidem möglich.

Die Stromregelung einer Kette wird durch einen D/A-Wandler mit einem Spannungsbereich von 500 mV gesteuert. Die Ausgangsspannung des Wandlers ist die Spannung über den Widerstand der Stromquelle. Der Ausgang des D/A-Wandlers kann auf einen Wert zwischen 0 und 500 mV mit einer Genauigkeit von 8 bit festgelegt werden, also in Stufen von 1,96 mV.

Beim digitalen Dimmen wird der Ausgang des D/A-Wandlers auf eine konstante Spannung gesetzt. Die LED-Kette wird mit einem Tastverhältnis von 1 % bis 100 % ein- und ausgeschaltet. Da die Auflösung des D/A-Wandlers 12 bit beträgt, liegt der kleinste Wert bei 0,0244 %. Um dieses Tastverhältnis zu erreichen, müssen Dimmfrequenz und Größe des MOSFETs sorgfältig gewählt werden. Beide Dimm-Verfahren lassen sich gleichzeitig nutzen.

Die Eigenschaften des auf MSL2160 basierenden LED-Treibers sind:

• Jedes IC kann bis zu 16 Ketten paralleler LEDs steuern.
• Mehrere MSL2160-ICs können miteinander verschaltet werden, um Leistung oder Granularität zu erhöhen.
• Digitale Ansteuerung aller Funktionen über I2C und SPI.
• Präzise Führung des LED-Stroms.
• Vielfältige Dimm-Möglichkeiten bis zu extrem geringer Helligkeit durch analoges oder PWM-Dimmen oder einer Kombination daraus.
• Interleaved PWM-Dimmen zur Reduktion der Eingangskapazität.
• Wirkungsgrad optimiert für eine lineare Stromquelle.
• Einfaches DC/DC-Wandler- und MSL2160-Design, so dass Über- und Unterschwingen sowie Ringing beinahe gänzlich eliminiert werden.

Insgesamt ergibt sich ein einfaches Design des kompletten Systems bei sehr niedriger Frequenz, wodurch die Feedback-Controller beider Systeme unabhängig voneinander entwickelt werden können.

Die Autoren:

Tushar Dhayagude ist bei Atmel als Marketing Director verantwortlich für die IC-Produktlinien „LED Backlighting“ und „General Lighting“. Tushar hatte 2006 das Unternehmen mSilica mitgegründet und war dessen Vice President „Sales and Marketing“ bis zur Übernahme durch Atmel Ende des Jahres 2010.

Dr. Haachitaba Mweene ist Experte sowohl für DC/DC-Wandler als auch für die Schaltungstechnik der AC/DC-Wandler und hat in mehr als 20 Jahren Erfahrungen in technischen und Management-Schlüsselpositionen bei den Unternehmen National Semiconductor, Lucent Technologies und Synqor gesammelt. Dr. Mweene ist der Autor einer ganzen Reihe von technischen Veröffentlichungen und Artikeln, zudem hat er mehrere Konferenzen über Leistungselektronik geleitet. Am Massachusetts Institute of Technology promovierte er im Fach Electrical Engineering zum Ph.D.

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