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LED-Boost-Treiber zum Einsatz mit niedriger Start-up-Spannung : Ausgabe 13/2017, 16.08.2017

Wenig Bauteile – viele Möglichkeiten

Der MCP1643 ist ein synchroner DC/DC-Aufwärtswandler/Treiber, speziell für Anwendungen mit nur einer Alkalibatterie als Stromversorgung. Der Standby-Strom von 1,2 µA sorgt für eine lange Batterielebensdauer. Zugleich erlauben die geringe Bauteilzahl und der Platzbedarf den Einsatz in portablen Anwendungen. Dank Integration eines Mikrocontrollers werden Designs vielseitiger und benutzerfreundlicher.

Autor: Catalin Bibirica, Microchip Technology

Bilder: Microchip

Ein kompakter, hocheffizienter DC/DC-Aufwärtsregler mit fester Taktfrequenz, der als Konstantstromgenerator für LEDs optimiert ist, lässt sich mit ein paar externen Komponenten als einfach nutzbare Stromversorgung für Anwendungen mit einer oder zwei Alkali-, NiCd- und NiMH-Batteriezellen als Energiequelle nutzen. Ein Beispiel für einen solchen Baustein ist der MCP1643 von Microchip Technology. Er nutzt ausschliesslich Pulsbreitenmodulation und arbeitet bei einer festen Schaltfrequenz von 1 MHz.

Baustein liefert 150 mA selbst bei fast entladenen Batterien oder Akkus

Die Eingangsspannung bestimmt den maximalen LED-Strom. Der Baustein hat eine Eingangsspannung von 0,5 bis 5 V für den Betrieb bzw. 0,65 V Start-up-Spannung.

Bei vollgeladener Batterie beträgt der maximale geregelte LED-Strom 450 mA. Im Vergleich zu Alkalibatterien haben NiMH- und NiCd-Akkus eine geringere Nennspannung, wodurch auch der maximale vom Baustein bereitgestellte LED-Strom mit ca. 350 mA niedriger ist. Das Bauteil wird weiterhin bis zu 150 mA liefern, selbst wenn die Batterien oder Akkus fast entladen sind. Wie bei allen LED-Stromtreibern gibt es einige Einschränkungen in Bezug auf die maximalen und minimalen Ladestromlimits.

Selbst wenn VIN kleiner als VOUT ist, bleibt der LED-Strom am Ausgang dank der Aufwärtsreglertopologie geregelt, wobei die Spannungsdifferenz 300 bis 400 mV betragen darf. Der maximale Laststrom ist abhängig vom Eingangsstromlimit, das 1,8 A beträgt. Wenn der gewählte LED-Strom einen Eingangsstrom zieht, der grösser ist als der maximale Spitzenstrom des Bausteins, dann lässt sich der LED-Strom nicht regeln und variiert abhängig von der Eingangsspannung. Die Batterie muss auch in der Lage sein, den vom Wandler benötigten Stromwert aufrechtzuerhalten. Der minimale, vom Baustein regelbare LED-Strom am Ausgang beträgt 20 mA.

LED-Treiber mit einer Batteriezelle

Eine der einfachsten Anwendungen ist ein LED-Konstantstromtreiber mit wählbaren Strom, der durch eine Veränderung des Sense-Widerstandswertes einstellbar ist. Bei 2,4 Ω ergibt sich ein eingestellter Strom von 50 mA, der sich durch eine Parallelschaltung von Sense-Widerständen auf 100 bzw. 150 mA steigern lässt. Der Baustein erlaubt ein Dimmen per Pulsweitenmodulation (PWM), wobei die LED ein- und ausgeschaltet wird. Die maximale Dimmfrequenz wird durch den internen Softstart mit typisch 240 µs begrenzt. Eine Variation des Tastverhältnisses für das am EN-Pin angelegte PWM-Signal bewirkt eine lineare Änderung des LED-Durchschnittsstroms und damit auch der LED-Lichtintensität.

Treiber für in Reihe und parallel geschaltete LEDs

Der Baustein lässt sich auch zur Ansteuerung von zwei in Reihe geschalteten LEDs nutzen. Allerdings ist die maximal mögliche Spannung durch den Überspannungsschutz limitiert, der die Ausgangsspannung auf 5,0 V begrenzt. Daher kann die Schaltung zwei Low-Voltage-LEDs, etwa Infrarot-LEDs für Fernsteuerungen und rote LEDs, aber keine High-Voltage-LEDs wie etwa weisse oder blaue LEDs ansteuern. Der Baustein hat einen maximalen Ausgangsstrom von 550 mA. Um dies zu nutzen, kann man Low-Current-LEDs parallel schalten. Die maximale LED-Anzahl lässt sich aus dem maximalen Ausgangsstrom des Wandlers (550 mA), geteilt durch den LED-Nennstrom ermitteln. Beträgt der LED-Nennstrom 50 mA, so kann man bis zu elf LEDs einsetzen. Dazu benötigt man auch die gleiche Anzahl an Widerständen mit identischen Werten. Ein Paar, bestehend aus einer LED und einem Widerstand, wird zur Einstellung des am Gerät gemessenen Stroms benötigt. Die anderen Paare folgen dann, und werden durch den Strom des ersten Paars gesteuert. Diese Anwendung eignet sich für tragbare Geräte mit Hintergrundbeleuchtung, bei denen SMD-Widerstände mit geringer Leistung in einer Reihe für eine LCD-Beleuchtung angeordnet sind.

Baustein besitzt einen maximalen Ausgangsstrom von 550 mA

Eine RGB-LED besteht aus drei LEDs (rot, grün und blau) mit einer gemeinsamen Kathode oder Anode, die gleichzeitig oder eine nach der anderen angesteuert werden können, um eine beliebige Farbe im sichtbaren Spektrum zu bilden. Jede LED-Farbe besitzt jedoch eine unterschiedliche Durchlassspannung, sodass man eine Stromquelle benötigt, um jede LED unabhängig von den anderen anzusteuern. Der DC/DC-Wandler MCP1643 lässt sich sowohl als Stromquelle für eine High-Power-RGB-LED als auch als Spannungsquelle für einen Mikrocontroller einsetzen. Eine einzige AA-Batterie dient dabei als Energiequelle.

Der Baustein besitzt einen maximalen Ausgangsstrom von 550 mA, aber nur einen Ausgang. Um drei LEDs unabhängig voneinander anzusteuern, muss man den Baustein über einen Mikrocontroller steuern. Ausgehend von einer Softstartzeit von 240 µs lässt sich der Ausgang für jede Farbe ohne Stromüberschwinger mit einer LED-Frequenz von 70 Hz multiplexen. Um jede LED einzeln zu versorgen, muss der LED-Strompfad über externe Transistoren umgeschaltet werden.

In dieser Anwendung lässt sich der Baustein auch für eine kurze Zeit als Spannungsquelle nutzen. Dazu entkoppelt man LEDs und Feedback-Widerstand und steuert die Feedback-Spannung über einen Widerstandsteiler, um die Ausgangsspannung auf einen festen Wert von 4 V anzuheben.

Da der Baustein auch zur Ansteuerung von drei LEDs sowie zur Versorgung des Steuersystems genutzt wird, aktiviert man den Baustein bei einer Frequenz von ca. 300 Hz (ca. 4 × 70 Hz). Zur Implementation dieser Funktion wird ein PIC-Mikrocontroller benötigt. Will man den Baustein als Mehrfach-Controller für unabhängige LEDs nutzen, so müssen einige Bedingungen erfüllt sein:

  • Das Ausgangssignal muss von einer LED zur nächsten mit dem gleichen Feedback-Widerstand umgeschaltet werden
  • Der Baustein muss jedes Mal, wenn das Steuersystem den Strompfad umschaltet, deaktiviert und erneut aktiviert werden
  • Die Ausgangsspannung muss abgesenkt werden, um Stromüberschwinger beim Umschalten auf eine andere LED-Farbe zu vermeiden

Reihenfolge der Enable-Signale ist wichtig

Die Transistoren dienen zur Umschaltung des Strompfades für jede Farbe. Nachdem sie ein Steuersignal erhalten, werden die Transistoren leitend und die entsprechende Farbe bildet einen geschlossenen Stromkreis mit dem LED-Treiber. Das Enable-Signal wird mit diesen Gate-Signalen synchronisiert und verfügt über eine zusätzliche Enable-Periode, wenn keine LED gesteuert wird. Während dieser Zeit steigt die Ausgangsspannung auf eine feste Spannung an und der Baustein arbeitet als Spannungsquelle.

Dabei ist die Reihenfolge der Enable-Signale wichtig. Wenn man den Baustein startet, ohne eine LED an seinen Ausgang zu schalten, dann hebt der Baustein die Ausgangsspannung auf den Maximalwert von 5 V an. Wird die LED dann mit der Schaltung verbunden, so entlädt sich der Ausgangskondensator unkontrolliert über die LED und beschädigt diese.

Nutzung als DC/DC-Spannungsquelle erfordert einige externe Komponenten

Für eine Spannungsquelle braucht es einen Transistor, um den Feedback-Widerstand aus der Rückkopplungsschleife des Stromtreibers zu entkoppeln. Ein Widerstandsteiler in der Rückkopplungsschleife kann die Spannung dann auf einen für das Steuersystem geeigneten Wert anheben. Wenn die LEDs nicht angeschlossen sind, der Baustein aber aktiv ist, dann steigt die Ausgangsspannung innerhalb kurzer Zeit auf ca. 4 V.

Wegen des Multiplexings ist die Spannung für den PIC-Mikrocontroller nicht geregelt, und fällt im Verlauf der Zeit abhängig von der Multiplexing-Frequenz, der Menge der gespeicherten Energie und dem Energieverbrauch des Steuersystems ab.

Benötigt man eine besser geregelte Spannung, so schaltet man einen Low-Dropout-Regulator (LDO) hinter den Baustein. Braucht man etwa eine Versorgungsspannung von 3,3 V, so kann man einen LDO mit geringem Ruhestrom wie etwa einen MCP1702 nutzen. Die Ausgangsspannung des MCP1643 sollte dabei auf mehr als 3,6 V eingestellt werden. Der Spannungsabfall wird die Funktion des Mikrocontrollers mit einer Versorgungsspannung von 2,3 bis 5 V nicht beeinflussen.

System braucht nur Abschaltstrom des Bauteils

Um Störungen der LED-Steuerspannungen auszuschliessen, braucht man zusätzliche Komponenten. Eine Schottky-Diode hilft zu vermeiden, dass eine Spannung zurück zur LED fliesst, und ein Kondensator kann die Energie speichern, wenn der Baustein die LEDs ansteuert. Neben der Tatsache, dass kein weiterer DC/DC-Wandler für das Steuersystem nötig ist, bietet dieses Konzept einen weiteren Vorteil. Beim Abschalten des Wandlers wird der Mikrocontroller auch abgeschaltet. Das System verbraucht so nur den Abschaltstrom des Bausteins, der typisch 1,2 µA beträgt. Das Leiterplattenlayout sollte unter Berücksichtigung der bekannten Regeln für DC/DC-Wandler erfolgen: Versorgungsspannungsleiterbahnen, die den grössten Strom führen, sollten so kurz wie möglich sein und nicht unter oder nahe bei Sensing- oder Hochimpedanz-Signalleitern angeordnet werden. Der Schaltknoten muss ebenfalls so kurz wie möglich sein, um Störungen zu vermindern. Die Ein- und Ausgangskondensatoren sollten so nahe wie möglich beim Konverter angeordnet sein. Ausserdem wird die Nutzung einer Groundplane empfohlen. 

Infoservice

Microchip Technology Inc.
Karlsruher Strasse 91, DE-75179 Pforzheim
Tel. 0049 7231 424 750, Fax 0049 7231 424 7599
www.microchipdirect.com




Beim MCP1643 handelt es sich um einen kompakten, hocheffizienten Step-Up-LED-Treiber


Typische Anwendung für einen Aufwärts-DC/DC-Wandler