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OptoelektronikBild 2: Wandler mit Regelung auf der Primärseite.Bild 5: Beispiel für einen zweistufigen PFC + QR Sperrwandler.Bilder: Fairchild SemiconductorBild 4: Einstufiger PFC-Sperrwandler.Bild 6: Beispiel für einen zweistufigen PFC + LLC Sperrwandler.Transformators) mit 0,31 W, der MOSFET mit 0,26 W sowie derAusgangs-Gleichrichter und der Brückengleichrichter mit zusammen0,20 W. Der Transformator und der Überspannungsschutzsind im Allgemeinen die Komponenten mit der höchsten Verlustleistung.Der Überspannungsschutz ist aufgrund der Streuinduktivitätdes Transformators erforderlich, um einen Spannungsstressdes MOSFETs zu verhindern. Die Leiterplatte und der EMV-Filterkönnen ebenfalls entscheidend zur Verlustleistung beitragen, wenndiese nicht sorgfältig entwickelt werden.Der Gesamtverlust von 1,32 W scheint nicht besonders bedeutsamzu sein, aber bei einem LED-Treiber mit geringer Leistungsaufnahmeist die LED-Last nahe am Treiber, somit ist hinsichtlichder Erwärmung die Summe beider Verluste zu berücksichtigen. Dadie Abführung der Wärme nicht mit einem Lüfter erfolgen kann,muss, um eine hohe Zuverlässigkeit gewährleisten zu können, dieGesamtleistung von 8,4 W mithilfe eines Kühlkörpers effektiv vomHalbleiter und den anderen Elektronikbauteilen abgeleitet werden.Der Einsatz von elektrolytischen Kondensatoren kann die Lebensdauerdes Designs senken, wenn die thermische Lösung nicht effizientarbeitet und die Wärme entsprechend abführt, so dass dieTemperatur der Bauteile niedrig bleibt.Anwendungen mit mittlerer Leistung bis 50 WLösungen mit mittlerer Leistung benötigen ebenfalls kleine Design-Volumenund eine Leistungsfaktorkorrektur. Der Wirkungsgradund die Zuverlässigkeit sind auch in diesem Leistungsbereichwichtige Design-Aspekte. Eine gute Topologie hierfür ist die einstufigeSperrwandler-Topologie mit Leistungsfaktorkorrektur (Bild4). Mit einem einstufigen Design lässt sich die Anzahl der benötigtenBauteile reduzieren, zudem ist kein Eingangskondensator erforderlich,was nicht nur Platz, sondern auch Kosten spart. DerSperrwandler enthält auch eine Leistungsfaktorkorrektur sowie eineRückkopplung von der Sekundärseite. Mit einer derartigenSperrwandler-Topologie für mittlere Leistung kann ein Wirkungsgradvon bis zu 84 % erreicht werden. Bei dieser Topologie werdendie höchsten Verluste im LED-Treiber durch den Transformatorund den Überspannungsschutz verursacht. Der Leistungsverlustdes Überspannungsschutzes steigt mit der Gesamtverlustleistung,da der Verlust proportional zur Streuinduktivität des Transformatorsmultipliziert mit dem Quadrat des Spitzenstroms im MOSFETist. Bei diesem Design ist sowohl die Größe des Transformators alsauch der Spitzenstrom im MOSFET höher.Anwendungen mit mehr als 50 W EingangsleistungHochleistungs-Lösungen konzentrieren sich darauf, einen hohenWirkungsgrad und eine hohe Zuverlässigkeit zu akzeptablen Kostenmit möglichst wenigen Bauteilen zu erreichen. Hier ist einzweistufiger LED-Treiber zu empfehlen. Die erste Stufe wird fürdie Leistungsfaktorkorrektur benötigt, dann folgt eine DC/DC-Umwandlungsstufe, um den konstanten Ausgangsstrom zu erhalten.Als erste Stufe kann der gleiche einstufige PFC-Sperrwandlerwie im mittleren Leistungsbereich verwendet werden. Um die Materialkostenin diesem zweistufigen Ansatz zu reduzieren, lassensich einige Komponenten und Funktionen der ersten Stufe in denController integrieren.Es sind zwei Arten von DC/DC-Wandlern für die zweite Stufezu empfehlen: ein quasiresonanter (QR) Sperrwandler für Anwendungenunter 100 W und die LLC-Topologie für Anwendungenmit mehr als 100 W. Ein Sperrwandler erreicht gegenüber der LLC-Topologie nicht nur einen vernünftigen Wirkungsgrad, sondern istauch weniger komplex. Die QR-Topologie reduziert die Schaltverlusteaufgrund der MOSFET-Ausgangskapazität durch eine Verringerungder Einschaltspannung. Durch das Soft-Switching desMOSFETs bei der QR-Topologie lässt sich zudem die EMI reduzieren.Allerdings ermöglicht die LLC-Topologie einen besseren Wirkungsgrad,da der MOSFET im Nulldurchgang der Spannungschaltet und ein kleiner Eingangskondensator eingesetzt werdenkann. Mit diesem zweistufigen Ansatz lässt sich ein Wirkungsgradvon bis zu 92 % erreichen. Bild 5 und Bild 6 zeigen die QR- undLLC-Topologie. Die LLC-Schaltung in Bild 6 nutzt den Leckstromund die Magnetisierungsinduktivität des Transformators, um dieLLC-Resonanzschaltung zu realisieren. Bei Hochleistungs-Anwendungenwerden im Allgemeinen mehrere LED-Strings verwendet.Bild 6 zeigt, wie sich mit einem sekundären Controller derStrom durch die LED-Strings ausbalancieren lässt. (jj)nDer Autor: Brian Johnson ist Lighting Specialist bei FairchildSemiconductor.54 elektronik industrie 04/2012www.elektronik-industrie.de