Ein LED-Array sicher überwachen und ansteuern

Anbieter zum Thema

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Bicker Elektronik GmbH

RECOM Power GmbH

ON Semiconductor Germany GmbH

Die LED-Schaltung und der Schutz bei einem Kurzschluss

In einigen ungewöhnlichen Fällen kann es bei LEDs zu einem Kurzschluss kommen, oder die Anoden-Kathoden-Anschlüsse eines Strangs sind versehentlich miteinander verbunden. Das führt zu einer erhöhten Kathodenspannung am LEDx-Pin und kann zu einer übermäßigen Wärmeentwicklung im Treiberschaltkreis führen.

Um die Verlustleistung zu verringern, kann der LED-Strom soweit verringert werden, bis die Kurzschlussbedingung verschwunden ist. Eine Fehlanpassung zwischen der LED-Durchlassspannung kann ebenfalls einen LED-Kurzschlussfehler verursachen. Das Kriterium für diesen Zustand ist eine erhöhte Kathodenspannung, die einen Fehler hervorruft, sobald die Kathodenspannung diesen Grenzwert überschreitet.

Der Fehler wird über ein Open-Drain Output Flag (SHORT) an das System gemeldet. Die im Treiberschaltkreis erzeugte Verlustleistung PD – Power Dissipated wird wie folgt berechnet: P_D = ∑ V_LEDx x I_LEDx

V_LEDx die Kathodenspannung und I_LEDx der LED-Strom für jeden Kanal ist.

Welche Methoden beim Dimmen der LEDs zum Einsatz kommen

Das Dimmen ist eine wichtige Funktion, mit der Anwender die Helligkeit oder die Leuchtstärke durch Ändern des LED-Stroms anpassen können. Es gibt zwei Dimm-Methoden: Entweder über Pulsweitenmodulation (PWM) oder über ein analoges Eingangssignal.

PWM-Dimmen regelt den LED-Strom durch regelmäßiges Ein- und Ausschalten der Kanäle, sodass der durchschnittliche LED-Strom proportional zum Tastgrad ist. So entspricht ein Tastgrad von 5% für 100 mA Nennstrom einem durchschnittlichen Strom von 5 mA.

Um ein sichtbares Flackern zu vermeiden, sollte die PWM-Frequenz mindestens 100 Hz betragen. Meist liegt dieser Wert bei 300 Hz. Niedrigere PWM-Frequenzen ermöglichen eine höhere Dimm-Auflösung, vor allem bei niedrigem Tastverhältnis. Ein Vorteil des PWM-Dimmens ist, dass die LED-Farbe beibehalten wird. Eine analoge Dimmung regelt das Dimmen von einer Analogspannung am ANLG-Eingang, was den Stromwert direkt proportional zur Spannung setzt. Wenn nötig, können beide Methoden gleichzeitig verwendet werden.

Mehrere LED-Stränge mit hoher Spannung regeln

Der vorgestellte 6-Kanal-LED-Controller stellt eine integrierte Lösung dar, die mehrerere Stränge mit hohen Spannungen regelt, wobei diese gleichzeitig überwacht und einer Fehlerdiagnose unterzogen werden.

Jeder Kanal wird über einen externen Bipolar-Leistungstransistor geregelt (Q1 bis Q6 im Anwendungsschaltkreis in Bild 3). Zur Stromregelung ist der Transistor über einen Serienwiderstand mit Masse verbunden, womit dessen Spannung auf 1 V eingestellt wird (R_SET-Pins).

Der Transistor ist ebenfalls an die LED-Kathode gebunden, die eine hohe Spannung erfahren kann und im Falle eines LED-Kurzschlusses imstande sein sollte, die maximale Anodenspannung zu verarbeiten. Die Transistor-Nennspannung ist entscheidend. Eine gute Näherung der Verlustleistung im Transistor ergibt sich durch Multiplikation des LED-Stroms mit der Kollektor-Emitter-Spannung.

Die höchste Durchlassspannung und die niedrigste Kathodenspannung

Bei der Wahl des Gehäuses und dem Leiterplatten-Layout sollte der Worst-Case hinsichtlich der Wärmeverteilung mit berücksichtigt werden. Die Anodenspannung wird automatisch durch den geschlossenen Regelkreis festgelegt, wobei der LED-Controller eine Rückkopplung an den DC/DC-Wandler bereitstellt.

Der Baustein ist in der Lage, den Strang mit der höchsten Durchlassspannung oder die niedrigste Kathodenspannung über den VCS-Anschluss zu erkennen. Der Boost-Wandler erreicht seinen Normalbetrieb, wenn sich die niedrigste Kathodenspannung im Nennspannungsbereich befindet.

Da alle Kanäle an die gleiche Anodenspannung gebunden sind, erhalten andere Stränge eine höhere Kathodenspannung, was zu einer gewissen Verlustleistung in den Transistoren führt. Alle Arbeitskanalströme werden über den externen Widerstand R1 bis R6 unabhängig eingestellt.

Mehrere LED-Controller für mehr als sechs LED-Stränge

Die niedrigste Kathodenspannung wird über den VCS-Pin und über ein Dioden-OR-Netzwerk (LO-SENSE) erfasst, was 0,6 V für den Dioden-Spannungsabfall hinzufügt. Die Open-LED-Erkennung liegt vor, wenn die Spannung am OCA-Pin 1 V erreicht und die Kathode des offenen Kanals gegen Masse gezogen wird.

Kurzgeschlossene LEDs werden über den SCA-Pin erkannt, indem die höchste Kathodenspannung über ein Dioden-OR-Netzwerk (HI-SENSE) erfasst wird. Eine Zener-Diode (ZvSCA) passt den Spannungsschwellenwert kurzgeschlossener LEDs an.

Der CAT4026 ist in der Lage, bis zu sechs LED-Stränge zu regeln und passt sie genau an. Für Anwendungen mit weniger als sechs Strängen bleiben unbenutzte Kanal-Anschlüsse unbeschaltet.

Bei Anwendungen mit mehr als sechs Strängen lassen sich mehrere CAT4026 parallel schalten. Ein Master-Controller stellt dann die Rückkopplung zur Stromversorgung her. Der Baustein wird im 28-poligen SOIC-Gehäuse zur einfachen Montage auf einseitig bestückten Leiterplatten ausgeliefert.

* * Fabien Franc ist Application Engineer bei ON Semiconductor.

(ID:31201830)