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Analog Devices

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ROHM Semiconductor GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Einen genau geregelten LED-Strom

Spannungsregler ICs bieten häufig einen Soft-Start- oder Tracking-Pin. Beide Pins überlagern die Spannungsregelung und reduzieren die FB-Pin-Spannung. Eine reduzierte FB-Pin-Spannung reduziert den Strom durch R1, was gleichzeigit die Verluste im Stromeinstellwiederstand senkt. Bild 4 zeigt den Aufbau der Tracking/Soft-Start-Funktion. Außerdem wird deutlich, wie sich die Spannung am FB-Pin dauerhaft reduzieren lässt.

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Die Genauigkeit des LED-Stromes ist abhängig von der Genauigkeit der Soft-Start- und Tracking-Funktion. Beide sind in den Datenblättern der Schaltregler ICs ungenau spezifiziert. Außerdem ist diese Lösung nicht überall möglich. Einige Schaltreger bieten zwar einen Soft-Start. Dieser beeinflusst allerdings nicht die Spannungsreferenz am FB-Pin sondern die Spitzenströme durch die Induktivität. Mit einer solchen Soft-Start-Architektur ist es nicht möglich, die FB-Pin Spannung zu senken.

Das Bild 4 zeigt eine eingestellte SS-Pin-Spannung über die Hilfsspannung V_CCdes ADP2441. Das führt zu einem genaueren Regelverhalten als nach dem Konzept in Bild 3. Dennoch wirkt sich auch in Bild 4 die Ungenauigkeit der Spannung V_CC auf den LED-Strom aus. Wird eine genaue Referenzspannung anstelle von V_CC verwendet, gibt dieses Konzept eine sehr genau geregelten LED-Strom.

Schaltregler nach dem Prinzip des Aufwärtswanders

Alle bisher gezeigten Beispiele nutzen einen Schaltregler zur Abwärtswandlung. Eingesetzt werden sie, wenn die Flussspannung der LED und die FB-Pin-Spannung kleiner sind als die verfügbare Versorgungsspannung. Das gleiche Konzept lässt sich auch bei Schaltreglern nach dem Aufwärtswandlerprinzip einsetzen. Bild 5 zeigt eine solche Schaltung.

Hier hat man häufig längere Ketten von LEDs, welche mit Strom versorgt werden müssen. Um den Spannungsabfall am FB-Pin abzuschätzen. Ein Beispiel: Bei vier LEDs mit einer Flussspannung von 3,6 V und einen Strom von 300 mA ergibt sich eine Leistung an den LEDs von 4,32 W. Die Verlustleistung durch den Stromeinstellwiderstand R5 liegen aber weiterhin bei 0,36 W. Somit sind die prozentualen Verluste verursacht durch 1,2-V-FB-Pin-Spannung nur noch bei 12% der verbrauchten Leistung in den LEDs.

Bei einer LED-Kette mit 10 LEDs in Serie liegen diese Verluste bei nur noch knapp über 3%. Eine Reduzierung der FB-Pin-Spannung bei Aufwärtswandlern ist genauso möglich wie bei Abwärtswandlern. Allerdings lässt sich die Effizienz damit nicht mehr erhöhen. Je länger die Kette mit LEDs, desto geringer ist die mögliche Erhöhung der Leistungseffizienz.

Der Spannungswandler wird zum LED-Treiber

Eine Stromsenke stellt eine weitere Möglichkeit dar, einen Spannungswandler (ADP8140) in einen LED-Treiber umzuwandeln (Bild 6). Der Baustein ADP8140 stellt den LED-Strom der LED-Ketten mit einem einstellbaren Widerstand am Fußpunkt der LEDs ein. An seinem Ausgangspin (FB_Out-Pin) greift er in die Spannungsregelung eines beliebigen Spannungswandlers ein, damit die generierte Spannung oberhalb der LEDs genau den Wert bekommt, um die LED-Kette mit der höchsten gesamten Flussspannung zu versorgen.

Dadurch ist die Verlustleistung der integrierten Stromeinstellwiderstände sehr gering und jede beliebige Spannungsversorgung kann verwendet werden. Im Bild 6 ist der verwendete Spannungsregler ein 240-V-Wechselstrom-Netzteil nach dem Sperrwandlerprinzip (Flyback). Dieses ist galvanisch mit einem digitalen Isolator (Icoupler) getrennt.

Der Baustein ADuM3190 ist ein neuer isolierter Fehlerverstärker, welcher die FB-Pin-Spannung über eine galvanische Trennung führt. Das konnte bisher mit einem Optokoppler realisiert werden. Digitale Isolatoren bieten eine höhere Bandbreite, eine geringere Verlustleistung und einen Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen bis 125 °C, ohne Alterungserscheinungen wie CTR- (Current-Transfer-Ratio-)Veränderungen über die Zeit.

Interessanterweise sind reine Spannungswandler bei der Leuchtenentwicklung noch immer sehr beliebt, um LEDs zu treiben. Der Grund ist, dass die Bausteine in großer Auswahl, hoher Flexibilität sowie niedrigem Preis verfügbar sind. Grundlegende Nachteile solcher Spannungsregler lassen sich durch einen intelligenten Schaltungsentwurf und wenige zusätzliche Bauteile ausgleichen. Zudem ist es ist nicht abzusehen, dass sich diese Beliebtheit in der nahen Zukunft ändern wird.

* Frederik Dostal arbeitet im technischen Marketing bei Analog Devices.

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