PWM-Controller
LEDs konstant versorgen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Zuverlässigkeit und Lebensdauer
LED-Leuchten bieten eine sehr lange Lebensdauer, manchmal bis zu 100 000 Stunden (bei geeigneten Strömen und Temperaturen). Dies führt zu zwei Problemen: Die Ansteuerung muss genauso lange zuverlässig funktionieren wie die LED und sie muss dafür sorgen, dass das Bauteil unter akzeptablen Bedingungen betrieben wird. Eine sorgfältig entwickelte Stromversorgung erfüllt beide Anforderungen.
Werden LEDs übersteuert, der vom Hersteller empfohlene Maximalstrom also überschritten, treten mehrere negative Effekte auf. Die Lichtausbeute sinkt, und es wird weniger Licht im Verhältnis zur Eingangsleistung abgestrahlt. Die Farbtemperatur und Chromatizität verschieben sich, und die Lebensdauer der Leuchte verringert sich. Bei höheren Strömen kann die gesamte Lichtausbeute sogar eher sinken. Im Extremfall kann die Elektromigration in der LED sogar zum Schmelzen der Bonddrähte und somit zum vorzeitigen Ausfall führen.
Übermäßige Hitze verkürzt die Lebensdauer ebenfalls. Dies äußert sich zuerst in einer reduzierten Lichtausbeute und führt schließlich zu einem Totalausfall der LED. Einige Leuchtdioden sind für einen Betrieb bis +100 °C ausgelegt. Sie alle weisen aber einen Temperaturgrenzwert auf, bei dem die Diode abgeschaltet werden sollte. High-Brightness-LEDs werden daher oft auf Kühlkörper montiert, die so ausgelegt sind, dass sie einen Betrieb unter Worst-Case-Bedingungen abdecken. Dieses Problem lässt sich auch anders lösen: Ein »intelligenter« LED-Treiber misst die Temperatur der LED mit einem Thermistor oder Temperatursensor und passt die Stromzufuhr entsprechend an. Microchips Digital-Enhanced Power-Analog-Controller »MCP19114« und »MCP19115« enthalten einen A/D-Wandler, der LED-Temperaturänderungen überwachen kann. Je nach Anwendung lässt er sich programmieren, die LED zu dimmen, sobald eine Überhitzung beginnt. Bei Extremtemperaturen kann der Controller die Anwendung sogar abschalten, um eine Beschädigung zu verhindern. Sowohl der Schwellenwert als auch das gewünschte Verhalten lassen sich über Firmware konfigurieren. In manchen Fällen sorgt das für kleinere Kühlkörper und für Gewissheit, dass die Stromversorgung imstande ist, die LED-Temperatur unter Extrembedingungen zu regeln. Der Controller selbst bietet eine Abschaltung bei Übertemperatur, um die Stromversorgung und die Last zu schützen. Diese Selbstschutzfunktion macht die Endanwendung wesentlich zuverlässiger und garantiert, dass sowohl die LEDs als auch der Treiberschaltkreis die beabsichtigte Lebensdauer erreichen.
Fehlererkennung und Fehlerberichterstattung sind in Stromversorgungsanwendungen und »intelligenten« Versorgungslösungen immer mehr gefragt. Der MCP19114 unterstützt diese Funktionen. In LED-Beleuchtungen dient dies zur Identifizierung offener Schaltkreise, Kurzschlüsse oder Verschiebungen der Durchlassspannung im LED-Strang, was ein Hinweis auf LED-Ausfälle oder einen Leistungsabfall sein kann. Mit seiner integrierten I²C-Schnittstelle kann der Baustein diese Daten von einer LED-Stromversorgung an das System weiterleiten, um aktuelle und aufkommende Probleme zu identifizieren. In einem hochzuverlässigen, sicherheitskritischen System kann dies eine wertvolle Information sein. Das System kann so konfiguriert werden, dass die Schaltkreis-Performance ständig überwacht wird oder sich nach Bedarf Diagnoseprüfungen durchführen lassen. Ein vielseitiger Controller trägt also dazu bei, robustere Beleuchtungssysteme zu ermöglichen, während ein Controller ohne Kommunikationsschnittstelle nicht imstande ist, diese Performance-Messungen durchzuführen.
Effizienz
Verbraucher versuchen meist, die hohen Anschaffungskosten von LED-Beleuchtung (als Ersatz von Glühlampen) durch die Stromeinsparung über der Zeit zu amortisieren. Auch tragbare und Embedded-Anwendungen aus der Unterhaltungselektronik oder Automotive-Module müssen die begrenzt zur Verfügung stehende Energie optimal nutzen. Dies ist nur durch eine hocheffiziente Stromversorgung möglich. Der Kunde weiß entweder überhaupt nicht, ob die Leistung im Wandler oder in der LED-Sperrschicht verbraucht wird, oder interessiert sich dafür nicht – aber was ihn interessiert, ist die Stromrechnung, die Batterielebensdauer und der Kraftstoffverbrauch. Um die hohe Effizienz bei der Energieumwandlung in der LED-Sperrschicht zu nutzen, muss die Lichterzeugung durch eine effiziente Stromversorgung gestützt werden.
Der MCP19114 unterstützt Aufwärts-, SEPIC-, Ćuk- und Sperrwandler-Topologien. Er ermöglicht eine flexible Wahl der Kompensationsmethode, um die gewünschte Topologie zu unterstützen, bietet eine konfigurierbare Slope-Kompensation sowie eine genau wählbare Tot- und Verzögerungszeit. Die Firmware lässt sich programmieren, um die Schaltfrequenz anzupassen. Hier besteht die Wahl zwischen fester Frequenz und quasiresonantem Betrieb. Entscheidend ist, dass diese Funktionen in der Applikations-Firmware des MCP19114 einstellbar sind. Ein Schaltkreisdesign lässt sich umprogrammieren, um verschiedene LED-Lasten zu unterstützen. Damit kann das gleiche Stromversorgungsdesign in verschiedenen Endprodukten zum Einsatz kommen, ohne dafür Bauteile oder das Layout ändern zu müssen. Zudem lässt sich die Firmware auch noch sehr spät im Designzyklus aktualisieren, um unerwartete Probleme zu beseitigen, ohne das Leiterplatten-Layout oder Komponenten ändern zu müssen. Damit verringert sich das Entwicklungsrisiko.
Über den Autor:
Fionn Sheerin ist Senior Product Marketing Engineer, Analog and Interface Product Division, bei Microchip.
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