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Treiberbausteine llll
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äußerer Regelkreis
Uein
innerer Regelkreis
S Q
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l Bild 2. Aufbau der Regelkreise beim Mehrphasen-Aufwärtsspan-
nungsregler.
auf hohe Zuverlässigkeit optimierten
AC/DC-Wandler mit PFC-Eigenschaften
auf das Niveau einer Zwischenkreisspannung
von 12, 24 oder 36 V
Gleichspannung gewandelt wird.
Bei Lampen in Parks oder weniger
belebten Straßen kann die Betriebsdauer
und Helligkeit der Verkehrssituation
angepasst werden. Um zusätzlich
Energie zu sparen, können z.B. Bewegungsmelder
eingesetzt werden, was
wiederum eine Kombination von Lampe,
Solarzellen und Akkus zur Energiespeicherung
ermöglicht. Für solche
Anwendungen sind ebenfalls DC/DC-
Wandler erforderlich.
Die Herausforderung für Hochleistungs-Stromversorgungen
mit DC/
DC-Wandlern liegt in der Bereitstellung
einer hohen Ausgangsleistung bei
optimaler Ausnutzung des Bauraums
unter Verzicht auf Fremdkühlung oder
große Kühlkörper. Für die Massenproduktion
ist die Verwendung preisgünstiger
Standardbauteile eine Voraussetzung
für die Wirtschaftlichkeit. Bei
herkömmlichen, einphasigen Wandlern
sind diese Forderungen nur
schwer zu befriedigen.
Mehrphasige Schaltwandler, bei
denen jede Einzelstufe nur einen Teil
der Gesamtausgangsleistung erzeugt,
sind aus der Spannungsversorgung für
Hochleistungsprozessoren oder Grafikcontrollern
im IT-Bereich bekannt;
allerdings handelt es sich dabei um
Abwärtsregler, die mit zwei, vier oder
mehr Phasen die benötigten geringen
Spannungen und hohen Ströme bereitstellen.
Durch die Aufsummierung der
Einzelströme am Ausgang teilen sich
die Verluste auf mehrere Bauteile auf,
und die belastenden Wechselstromanteile
werden durch die Überlappung
der Phasen weitaus weniger wirksam.
Für die Anwendung solcher Mehrphasenwandler
in einer LED-Stromversorgung
muss die Ausgangsspannung
. . .
Uausg.
des Wandlers mindestens
ebenso
hoch sein wie die
Summe der Flussspannungen
aller
in Reihe geschalteten
LEDs; daher
werden im Unterschied
zu den im
IT-Bereich verwendetenAbwärtsreglern
(Buck
Converter) hier
Aufwärtsregler (Step-up Converter,
Boost Converter) verwendet.
Mit den Vorteilen eines Mehrphasensystems
für die Bereitstellung hoher
Leistungen bei hohen Schaltfrequenzen
ergeben sich kleinste Abmessungen,
die ausschließliche Verwendung
von SMD-Bauelementen auch für
Spulen und Kondensatoren und eine
außerordentlich hohe Leistungsdichte
bei hoher Zuverlässigkeit und bestem
Wirkungsgrad. Ein herausragender
Vorteil bei LED-Straßenlampen ist
deren Dimmbarkeit,
also die Anpassung
der Helligkeit an die
Beleuchtungsverhältnisse.
Damit
lässt sich ein weiterer
Beitrag zu erhöhter
Sicherheit bei
gleichzeitiger Energieeinsparungleisten.
Die Regelung
der Helligkeit von
LEDs geschieht im
allgemeinen durch
Pulsbreitenmodulation
(PWM) des
LED-Stroms, wobei
das Tastverhältnis (duty cycle) der
PWM die Helligkeit in weiten Grenzen
linear beeinflusst. Um so genannte
Shutter-Effekte durch die PWM-
Frequenz zu vermeiden, muss diese
bei mehr als 200 Hz liegen; bei Versuchen
wurde festgestellt, dass bei einer
PWM-Frequenz von 500 Hz und höher
die gefürchteten „Perlschnur-Effekte“
nicht mehr auftreten, die im Straßenverkehr
zu ernsthaften Gefährdungen
führen können. Eine andere Methode
der Helligkeitsregelung ist die kontinuierliche
Einstellung des Stroms über
einen analogen Steuereingang. Die bei
dieser Methode unvermeidliche Änderung
der Lichtfarbe ist bei Straßenlampen
nicht von entscheidender Be-
deutung, sie kann allerdings die Effizienz
um 30 bis 60 % verbessern.
Die Regelung eines Mehrphasen-
Aufwärtsreglers soll eine gleichmäßige
Verteilung der Leistung auf mehrere
Phasen garantieren (Bild 2). Wie
beim Mehrphasen-Abwärtsregler werden
auch hier die Phasen mit gleichem
zeitlichem Abstand nacheinander eingeschaltet.
Es müssen jedoch in jeder
Phase der Momentanstrom gemessen
und der Treiber bei Erreichen einer
definierten Schwelle abgeschaltet werden,
um die nicht unerheblichen Toleranzen
der Induktivitäten auszugleichen.
Bei einer einfachen Ansteuerung
mit gleichen Einschaltzeiten für alle
Phasen ist der Strom beim Abschalten
umgekehrt proportional zur Phaseninduktivität,
die übertragbare Leistung
ist aber proportional zum Quadrat dieses
Stroms. Mit der Einzelphasen-
Strommessung lassen sich besonders
thermische Weglaufeffekte (thermal
runaway) vermeiden, die durch die
Temperaturabhängigkeit der Indukti-
l Bild 3. Ein 150-W-LED-Controller im Scheckkartenformat.
vitäten bedingt sind. Dazu verfügt
jeder Einzelwandler über einen inneren
Regelkreis, der die Einzelphase bei
Erreichen eines vorgegebenen Stromwertes
abschaltet. Der Schwellenwert
dazu wird vom Fehlerverstärker des
äußeren Regelkreises vorgegeben, der
die Ausgangsspannung oder den Laststrom
mit einer präzisen Referenz vergleicht.
Eine Slope-Kompensation zur Stabilisierung
des Duty Cycle jeder Einzelphase
wird in jedem der inneren
Regelkreise vorgenommen, wobei die
Abschaltschwellen der inneren Regelkreise
in Abhängigkeit von der Steilheit
des steigenden bzw. fallenden Stroms
durch die Einzelinduktivitäten mit ei-
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