Es kann nur einen geben

LED-Ansteuerung Es kann nur einen geben

28.09.2006Redakteur: Iris Steinbacher

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ROHM Semiconductor GmbH

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

ON Semiconductor Germany GmbH

Weiße LEDs sind auf dem Beleuchtungssektor die wichtigste Innovation. Die Hersteller von ICs haben zahlreiche Lösungen entwickelt, um sie unter optimalen Betriebsbedingungen zu verwenden. Darüber hinaus existieren elektrische Lösungen zur Ansteuerung von LEDs direkt aus dem Wechselspannungsnetz. Die Mehrheit aller Anwendungsfälle wird allerdings in batteriebetriebenen Kleinspannungssystemen zu finden sein. Daher stellt dieser Beitrag die Treiber vor, welche speziell in diesen Systemen gebraucht werden.LEDs (Licht emittierende Dioden) emittieren Licht, das linear proportional zu der durch sie fließenden Strommenge ist. Damit die Lichtemission genau in der gewünschten Stärke erfolgt, ist eine präzise Steuerung des Vorwärtsstroms entscheidend. Sowohl eine weiße als auch jede andere Diode ist ein höchst nicht lineares Bauteil. Der einzige elektrische Unterschied zu einer normalen Gleichrichterdiode ist deren Vorwärtsspannung, die im Bereich von ca. 3 bis 4 V liegt. Bloßes Anlegen einer Spannung an eine LED würde zu einem unkontrollierten Stromfluss führen. Das liegt zum einen an der Temperaturabhängigkeit und zum anderen an der Stromzunahme gemäß Spannungscharakteristik. Daher ist die beste Lösung zur Ansteuerung, die LED im Strommodus zu betreiben.Die Wahl des LED-Treibers lässt verschiedene Möglichkeiten offen, jedoch wird jeweils nur eine begrenzte Anzahl von Anwendungsfällen abgedeckt. Weiße LEDs gelten als die geeignetste Lösung zur Hintergrundbeleuchtung von Displays in tragbaren Geräten. Folglich wurden zuerst die Treiber entwickelt, die von Li-Ion-Akkuzellen gespeist wurden. Für gewöhnlich liegt hier die zulässige Versorgungsspannung im Bereich zwischen 2,7 und 5,5 V. Die Anzahl der an einen Treiber angeschlossenen LEDs resultiert aus den Dimensionen des LCD-Felds. In den meisten Fällen bewegt sich die Anzahl zwischen drei und fünf. Bei großen Displays können es auch bis zu zehn LEDs sein. Eine weitere Einschränkung ergibt sich durch die maximal zulässige Größe der Lösung. Letzten Endes ist der unterschiedliche Wirkungsgrad verschiedener Treiber ein entscheidendes Kriterium. In Blitzlichtapplikationen vertragen LEDs bis 1,2 AEine zweite Gruppe von Schaltungen wurde speziell für Blitzgeräte entwickelt. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Schaltungsvarianten für die Beleuchtung ist die Ausgangsleistung. LEDs, welche für das Blitzlicht in Kamera-Handys verwendet werden, vertragen Ströme von 100 mA bis 1,2 A, während für eine typische Hintergrundbeleuchtungs-LED 20 mA anfallen. Die Anzahl der LEDs in Blitzlichtapplikationen liegt meist zwischen einer und vier Stück. Werden allerdings weniger als 500 mW elektrische Leistung benötigt, eignet sich eine Schaltung, die für Display-Hintergrundbeleuchtungen entwickelt wurde. Von 500 mW bis 5 W ähneln die Anforderungen denen von Blitzlichtapplikationen.Bild 1 (siehe Heftseite) veranschaulicht die verschiedenen Topologien. Die Vorwärtsspannung ist für gewöhnlich höher als die Batteriespannung. Um die zur Verfügung stehende Spannung entsprechend anzuheben, müssen kapazitive Ladungspumpen oder induktive Aufwärtswandler eingesetzt werden. Der induktive Aufwärtswandler hat den Vorteil, dass er mit nur einem Leistungsschalter eine so hohe Spannung erzeugen kann, mit der die LEDs in Serie gespeist werden können. Es gibt kein besseres Verfahren, alle LEDs mit genau dem gleichen Strom zu speisen, da sich hierdurch naturgemäß eine gleichmäßige Helligkeit ergibt. Aufwärtswandler garantiert einen hohen WirkungsgradDie Ladung/Entladung der Induktivität wird dabei entsprechend geregelt. Damit ist ein geregelter Stromfluss durch einen Sense-Widerstand gesichert, der in Serie zu den LEDs geschaltet ist. Diese Art von Schaltung zeichnet sich durch einen beachtlichen Wirkungsgrad aus. So kann beispielsweise der Aufwärtswandler NCP5005 von ON Semiconductor einen Wirkungsgrad von bis zu 90% bei einer Ausgangsspannung von 22 V erreichen. Allerdings ist dieses Bauteil etwas teurer und auch die Bauhöhe ist größer als die eines Kondensators. Bei Applikationen, bei denen die Dicke und die zur Verfügung stehende Fläche auf der Leiterplatte kritisch sind, empfiehlt sich eine kapazitive Ladungspumpe.Die Ladungspumpe lädt mehrere Kondensatoren aus der Batteriespannung und hebt die Kondensatorspannungen elektrisch durch Reihenschaltung an, bis die gewünschte Ausgangsspannung erreicht ist. Diese liegt dann über der Versorgungsspannung. Zur korrekten Umschaltung der Kondensatoren ist eine ganze Reihe von Schaltern notwendig. Zwar steigt die interne Komplexität, die externen Bauteile können aber recht klein ausfallen. Im Gegensatz zum induktiven Aufwärtswandler, der im Strommodus arbeitet und als eine Stromquelle betrachtet werden kann, ist die Ladungspumpe in erster Linie eine Spannungsquelle, deren Spannungswert von der Anzahl der Kondensatoren und Schalter bestimmt wird. Bei höheren Ausgangsspannungen wird es immer schwieriger Spannung zu erzeugen, ohne dabei die Komplexität zu sehr zu steigern. Als Folge davon lassen sich die LEDs nicht in Serie speisen, sondern sie werden in einer Parallelkonfiguration betrieben. Die Stromregelung für die LEDs wird entweder durch zusätzliche Stromquellen oder durch Widerstände gesichert. Die Stromquellen sind untereinander auf gleiche Werte abgeglichen, um Stromabweichungen von LED zu LED von unter 1% zu garantieren. Der größte Nachteil der Ladungspumpe ist der mäßige Wirkungsgrad. Die Anzahl der Schalter und Kondensatoren bestimmt das Multiplikationsverhältnis N der Ladungspumpe. Dieses Verhältnis liegt üblicherweise bei 1,5 oder 2. Im NCP5604 wird ein Verhältnis von 1,33 verwendet, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Der ideale Wirkungsgrad errechnet sich mit folgender einfacher Gleichung: h = Vout/N ? Vin. In der Praxis ist es unmöglich, dass Vout gleich N ? Vin ist, weil immer ein minimaler Spannungsabfall innerhalb des Treibers auftritt, um eine korrekte Vorspannungserzeugung für die internen Schaltungen sicherzustellen. Dennoch geben einige Hersteller Wirkungsgrade von bis zu 95% an. Die Herstellerangaben aus Datenblättern lassen sich aber nur unter wirklich optimalen Voraussetzungen erreichen. Solange die Eingangsspannung nicht exakt den optimalen Voraussetzungen entspricht, muss anhand der Parameterkurven geprüft werden, wie es beim Auftreten des ungünstigsten Falls aussehen könnte.Die Treiber-Versorgung ist auf 6 V begrenztBild 2 (siehe Heftseite)zeigt den Wirkungsgradunterschied zwischen einem induktiven Aufwärtswandler (hier der NCP5005) und einer Ladungspumpe mit drei Multiplikationsverhältnissen. Wegen seiner Sägezahncharakteristik muss der Wirkungsgrad der Ladungspumpe über den nutzbaren Batteriespannungsbereich gemittelt werden. Der NCP5604 liefert einen mittleren Wirkungsgrad von 76% für weiße LEDs mit einer Vorwärtsspannung von 3,2 V. Die Treiber-Versorgungsspannung ist normalerweise auf 5,5 oder 6 V begrenzt. Bei manchen Anwendungsfällen kann dies aber eine schwerwiegende Begrenzung sein. Daher gibt es einige induktive Aufwärtswandler, die nicht an die gleiche Stromversorgung angeschlossen werden müssen, wie die Induktivität. Getrennte Versorgung für Wandler und InduktivitätDas ist auch der Fall beim NCP5005. Die Versorgungsspannung für die Schaltung selbst ist auf 5,5 V begrenzt, der Leistungsschalter widersteht aber schadlos einer Spannung bis zu 22 V. Dank der besonderen internen Schaltungsarchitektur ist es dem Bauteil möglich, seine eigene Versorgungsspannung aus einer Quelle niedriger Spannung zu beziehen. Diese Quelle ist bereits in der Applikation vorhanden, während die Induktivität an einer viel höheren Batteriespannung angeschlossen werden kann. Ein wichtiger Parameter sind die vom LED-Treiber erzeugten Störungen. Die Ladungspumpe kann Quelle von Hochstrom-Störimpulsen sein, verursacht durch die Ladung/Entladung der Kondensatoren. Moderne Ladungspumpen verfügen über Strombegrenzer, jedoch kann eine sehr aufwändige Eingangsfilterung nötig werden. Der induktive Aufwärtswandler hingegen kann durch die Induktivität EMI (Electro-Magnetic Interference) erzeugen. Schaltungen mit variabler Frequenz erzeugen normalerweise weniger Interferenzen, allerdings ist die Frequenz abhängig von den Betriebsbedingungen. Beim NCP5005 wurde die interne Schaltungsstruktur dementsprechend ausgelegt, um die Interferenzen so gering zu halten, dass sie selbst in sehr empfindlichen Umgebungen nicht stören. Falls der Systementwickler jedoch den Betrieb mit fester Frequenz vorzieht, sollte in der Lösung eine PWM-Wandler wie der NCP5010 eingesetzt werden. Der Baustein integriert einen speziellen Schalter, welcher die Induktivität beim Absinken des Stroms auf null kurzschließt. Dieser Schalter schützt vor ungewünschten Ausschwingvorgängen und der Entstehung von hochfrequenten Störungen.

Pierre Genest ist System Engineering Manager bei ON Semiconductor in Toulouse.

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