Startseite > Power > Spannungswandler > PFC-Sperrwandler versorgt LEDs

Schaltungspraxis – LED-Treiber

PFC-Sperrwandler versorgt LEDs

17. März 2017, 9:51 Uhr | Florian Müller

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Die einzelnen Blöcke im Detail

Eingangsfilter

Um die internationalen Auflagen einzuhalten, werden X- und Y-Kondensatoren eingesetzt, um die vom Schaltnetzteil ausgehenden leitungsgebundenen Störsignale abschwächen.

Übertrager

Das Windungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklung entscheidet über die Höhe der in der Sperrphase auf die Primärseite übertragenen Spannung. Je höher diese Spannung ist, umso geringer ist die Spannung im Minimum der resonanten Schwingung. Eine hohe auf die Primärseite übertragene Spannung senkt also die Schaltverluste, wenn auch auf Kosten einer höheren maximalen Drain-Source-Spannung am primärseitigen Leistungs-MOSFET. Eine gute Methode ist es, die auf die Primärseite übertragene Spannung so hoch zu wählen wie die minimale Eingangsspannung.

Die Primärinduktivität legt die Betriebsart und die Schaltfrequenz fest. Es empfiehlt sich, die Primärinduktivität zunächst so zu wählen, dass die Schaltfrequenz bei der niedrigsten Eingangsspannung sicher größer als 25 kHz ist, damit hörbare Störgeräusche vermieden werden.

Zwischen der Versorgungswicklung für den Controller-IC und den Primär- und Sekundärwicklungen muss eine gute Kopplung bestehen, denn diese Wicklung dient auch zum Erkennen des Spannungsminimums am Drain-Anschluss des Leistungs-MOSFETs für den Betrieb an der Lückgrenze. Eine gute Kopplung lässt sich erreichen, wenn die Versorgungs- und die Sekundärwicklung mit der Primärwicklung verschachtelt werden. Das Windungsverhältnis zwischen Versorgungs- und Primärwicklung definiert die Höhe der Versorgungsspannung, die bei der Entmagnetisierung proportional zur Ausgangsspannung ist. Die Anzahl der LEDs am Ausgang und ihre Stromaufnahme entscheiden über die Ausgangsspannung und demzufolge auch über die Versorgungsspannung. Die Versorgungsspannung muss unter jeglichen Betriebsbedingungen unbedingt größer sein als die Ansprechschwelle der Unterspannungs-Sperre (UVLO) des Controller-ICs. Diese Forderung muss insbesondere bei der geringstmöglichen Ausgangsspannung erfüllt sein.

Regelkreis

Wenn der Regler stromgeführt wird (current mode) oder im lückenden Betrieb arbeitet, verhält sich das Ausgangsfilter wie ein System erster Ordnung. Für den Regelkreis müssen nur der Ausgangskondensator und die angeschlossene Last berücksichtigt werden. Ein Kompensationsnetzwerk des Typs I oder gelegentlich des Typs II reicht aus, um einen stabilen Regelkreis mit ausreichend Phasen- und Amplitudenreserve zu erhalten. Die Bandbreite des gesamten geschlossenen Regelkreises muss kleiner sein als die Netzfrequenz, damit der Ausgang des Fehlerverstärkers über eine Periode der netzseitigen Sinusschwingung hinweg weitgehend konstant bleibt. Für den potenzialtrennenden Sperrwandler wird dann ein externer, sekundärseitiger Fehlerverstärker herangezogen. Der LED-Strom wird mit einem Strommesswiderstand erfasst und auf den Sollwert geregelt. Der Ausgang des Fehlerverstärkers ist mit einem Optokoppler verbunden, der das Signal an die Primärseite überträgt.

Zum Regeln des LED-Stroms kann ein Controller-IC für Aufwärtswandler verwendet werden, wenn der interne Transkonduktanzverstärker anderweitig genutzt wird (siehe Bild 1). An den U_mess-Pin des Controllers – dies ist der Eingang des Fehlerverstärkers für die Ist-Größe – muss eine konstante Spannung gelegt werden. Der Ausgang U_komp des Transkonduktanzverstärkers verhält sich dann wie eine Stromquelle, die einen konstanten Strom liefert. Wird der Transistor des Optokopplers mit diesem Ausgang verbunden, schließt er den Regelkreis, indem er die Ausgangsimpedanz des Transkonduktanz-Fehlerverstärkers senkt.

Matchmaker+ Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

Einstufige LED-Vorschaltgeräte benötigen nur einen Schaltregler-IC und eine Sperrwandler-Leistungsstufe und ermöglichen eine galvanische Trennung der Sekundärseite. Sie bieten einen hohen Wirkungsgrad und haben einen Materialkostenvorteil da sie mit weniger Komponenten auskommen. Durch den Betrieb der Regelung an der Lückgrenze, die bevorzugte Betriebsart von PFC-Stufen bei niedriger Ausgangleistung, ist ein hoher Wirkungsgrad möglich. Zusätzlich kann in dieser Betriebsart als sekundärseitige Diode ein Bauelement mit höherer Sperrverzögerungszeit gewählt werden, das preisgünstiger ist. Als Nachteil dieser einstufigen Wandlerschaltung ist dagegen die höhere Welligkeit des Eingangs- und Ausgangsstroms hinzunehmen. Allerdings lässt sich diese Welligkeit mit zwei um 180 ° phasenversetzt arbeitenden Leistungsstufen gravierend senken. Ein Beispiel hierfür ist das Referenzdesign [1] von Texas Instruments. Diese Schaltung zum Ansteuern von 700-mA-LEDs mit max. 200 W Ausgangsleistung erreicht einen maximalen Wirkungsgrad (Bild 2) von 94 %.

Dimmen

Es stehen verschiedene Techniken zur Helligkeitssteuerung von LEDs zur Verfügung. Beim PWM-Verfahren werden die LEDs per Pulsweiten-Modulation fortlaufend ein- und ausgeschaltet, so dass Vorwärtsspannung und -strom unverändert bleiben. Diese Technik hat zwar den Vorteil, dass sich die Leuchtfarbe der LEDs beim Dimmen nicht verändert, sie ist dafür aber komplizierter zu integrieren.
Einfacher ist dagegen das Dimmen durch schlichtes Reduzieren des LED-Stroms, wenn auch mit dem Nachteil möglicher Farbveränderungen. Die Implementierung dieser Technik ist unkompliziert: lediglich die Referenzspannung des sekundärseitigen Fehlerverstärkers muss geändert werden.

Literatur

[1] 200W Natural Interleaving Transition-Mode PFC Flyback LED Driver Reference Design. Texas Instruments, www.ti.com/tool/PMP10116.

Florian Müller
wurde 1976 in Rosenheim geboren. Nach dem Abschluss eines Elektrotechnik-Studiums an der Universität Haag arbeitete er mehrere Jahre freiberuflich im Bereich der Elektrotechnik, bevor er 2008 zur Power Design Services Group Europe von Texas Instruments in Freising wechselte. Gegenstand seiner Entwicklungsaktivitäten sind galvanisch trennende und nicht galvanisch trennende DC/DC- und AC/DC-Wandler für jegliche Anwendungsgebiete.

Florian Müller

wurde 1976 in Rosenheim geboren. Nach dem Abschluss eines Elektrotechnik-Studiums an der Universität Haag arbeitete er mehrere Jahre freiberuflich im Bereich der Elektrotechnik, bevor er 2008 zur Power Design Services Group Europe von Texas Instruments in Freising wechselte. Gegenstand seiner Entwicklungsaktivitäten sind galvanisch trennende und nicht galvanisch trennende DC/DC- und AC/DC-Wandler für jegliche Anwendungsgebiete.

asktexas@ti.com