Dimmverfahren für geschaltete LED-Treiber

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PWM-Dimmen

Bei der PWM-Methode (Pulsweitenmodulation) schaltet man den LED-Strom periodisch ein und aus. Dieses Schalten muss mit einer so hohen Frequenz erfolgen, dass das menschliche Auge kein Flimmern wahrnimmt. In der Regel sind 200 Hz oder mehr ein akzeptabler Wert.

Das Dimmen der LED ist damit jetzt proportional zum Tastverhältnis des Dimmsignals. Hierfür gilt Gleichung 1:

(Gl. 1)

Darin steht IDIM-LED für den durchschnittlichen LED-Strom und DDIM für das Tastverhältnis des Dimmsignals. ILED ist der nominelle LED-Strom, der beim Festlegen von RSNS zugrundegelegt wird (Bild 2).

• Modulation des LED-Treibers

Viele moderne LED-Treiber verfügen über einen speziellen PWM-DIM-Pin, der für PWM-Signale mit einem weiten Frequenz- und Amplitudenbereich geeignet ist und sich einfach mit externer Logik verbinden lässt. Die DIM-Funktion schaltet lediglich den Ausgangstreiber ab, lässt aber die internen Schaltungen in Betrieb, womit die Verzögerungen für das erneute Starten des IC entfallen. Auch Output Enable-Pins und andere Funktionen zum Abschalten der Logik können benutzt werden.

• Zweiadrige PWM-Dimmung

Die zweiadrige PWM-Dimmung ist bei Auto-Innenbeleuchtungen sehr verbreitet. Wenn VIN auf weniger als 70% von VIN-NOMINAL abgesenkt wird, erkennt der VINS-Pin (Bild 2) diese Spannungsänderung und wandelt das PWM-Signal in eine entsprechende Pulsweitenmodulation des Ausgangstreibers um. Nachteilig an dieser Methode ist, dass die Stromversorgung des Reglers hierzu eine Schaltung enthalten muss, die der Gleichspannung an ihrem Ausgang ein PWM-Signal überlagern kann.

• Schnelles PWM-Dimmen mit Shunt

Wegen der Verzögerungen beim Abschalten und Reaktivieren des Wandlerausgangs kann die PWM-Frequenz nicht über eine gewisse Obergrenze hinaus erhöht werden, und auch das Tastverhältnis lässt sich nur in einem gewissen Bereich variieren. Um diese Verzögerungen zu vermeiden, kann ein externer Shunt – wie der in Bild 3a gezeigte FET – parallel zur LED (bzw. zur LED-Kette) geschaltet werden, um den Ausgangsstrom an der LED bzw. den LEDs vorbeizuleiten. Das ist mit kurzen Verzögerungszeiten möglich. Da der Strom in der Induktivität auch während der Aus-Phasen der LEDs bestehen bleibt, vermeidet man die langen Anstiegs- und Abfallzeiten des Spulenstroms. Die Grenzen der PWM-Frequenz und des Tastverhältnisses werden nunmehr von den Anstiegs- und Abfallzeiten des Shunts bestimmt.

In Bild 3a ist der Abwärts-Schaltregler LM3406 mit einem Shunt-FET zu sehen. Das zugehörige Diagramm in Bild 3b vergleicht die Ein- und Ausschaltverzögerungen der LED mit dem DIM-Pin und dem Shunt-FET. Die Ausgangskapazität beträgt bei beiden Messungen 10 nF. Beim Shunt handelt es sich um einen Si3458-Baustein.

Dieses Verfahren zum Umleiten des LED-Stroms darf bei Current-Mode-Wandlern nur mit großer Vorsicht angewandt werden, da es beim Einschalten des FET zu einem Überschwingen des Ausgangsstroms kommt. Dieser Effekt tritt dagegen bei den LED-Treibern der LM340x-Familie in Controlled On-Time-Technik nicht auf. Die Ausgangskapazität an den LEDs sollte außerdem niedrig gehalten werden, um möglichst schnelle Ein/Aus/Einschaltvorgänge zu erreichen.

Nachteilig an dieser schnellen Dimmschaltung verglichen mit dem wirklichen Abschalten der Ausgänge ist die geringere Effizienz. Während der Shunt eingeschaltet ist, fällt eine Verlustleistung in Höhe von VShunt x ILED als Wärme an. Diese Effizienzeinbuße lässt sich durch die Verwendung von FETs mit geringem RDS(on) minimieren.

Negativ am Shunt-Verfahren ist ferner, dass es sich nicht für Wandler mit Boost-Topologie (Aufwärtswandler bzw. Hochsetzsteller) eignet, denn hier wäre ein Kurzschließen der Last gleichbedeutend mit einem Kurzschluss von VIN zur Masse über eine Induktivität.

Baustein mit mehreren DIM-Funktionen

Die Besonderheit des LED-Treibers LM3409 liegt darin, dass er spezielle Funktionen für das einfache Analog- und PWM-Dimmen bereithält. Das Dimmen von LEDs ist bei diesem Baustein auf vier verschiedene Arten möglich:

• Analoges Dimmen durch direktes Ansteuern des IADJ-Pins mit einer Spannung zwischen 0 und 1,24 V.
• Analoges Dimmen mithilfe eines Potenziometers zwischen dem IADJ-Pin und Masse.
• PWM-Dimmen mithilfe des Enable-Pins.
• PWM- Dimmen mit externen Shunt-FETs.

Der LM3409 ist für das analoge Dimmen mit einem Potenziometer vorbereitet (Bild 4). Eine eingebaute Stromquelle von 5 µA erzeugt eine Spannung an RADJ,wodurch wiederum die interne Stromabtastschwelle verändert wird. Der IADJ-Pin kann auch direkt mit einer Gleichspannung angesteuert werden, was denselben Effekt hat.

Bild 5 zeigt den gemessenen LED-Strom als Funktion des Widerstands des zwischen IADJ-Pin und Masse liegenden Potenziometers. Der flache Verlauf beim Erreichen von 1 A resultiert aus dem maximalen LED-Nennstrom, der durch den Stromabtastwiderstand RSNS in Bild 4 festgelegt wird.

Bild 6 gibt den gemessenen LED-Strom als Funktion der an den IADJ-Pin gelegten Spannung wieder. Auch hier ist durch RSNS ein maximaler LED-Strom vorgegeben. Beide Arten des analogen Dimmens lassen sich einfach implementieren und ergeben ein sehr lineares Dimmverhalten bis etwa 10 % vom Maximum.

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