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Treiberbausteine llll
LED-Treiber für Lighting
Parallele LED-Ketten effektiv und intelligent ansteuern
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
Uin
DC/DC-
Wandler 1
ILED
DC/DC-
Wandler N
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 temperaturunempfindlich,
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.
20 Elektronik lighting 2011 – Sonderausgabe MSC
Von Tushar Dhayagude und Dr. Haachitaba Mweene
ILED
l Bild 1. Die Stromversorgung und das Treiben
paralleler LED-Ketten. (alle Bilder: Atmel)
` 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.
Uin
DC/DC-
Wandler
UREF
Korrektur der
Ausgangsspannung
des DC/DC-
Wandlers
+
-
Operationsverstärker
Rs
l Bild 2. Konstantstromregelung von LED-Ketten mit Single-DC/DC-
Wandler.
Qs
+
-
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 Konstantstromregler
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-MOS-
FETs entspricht der
Differenz der Ausgangsspannung
U out
und der Spannung
U LED , die an den
LEDs abfällt:
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