Dimmbarer Switched-Mode-LED-Treiber auf 8-Bit-Mikroncontroller-Basis

Vier Kanäle unabhängig gesteuert

Phantastische Beleuchtungsszenarien lassen sich auf Basis von 8-Bit-MCU realisieren. Bild: istockphoto
Bild 1: Schaltplan zur Steuerung von vier LED-Ketten unter Steuerung eines 8-Bit-Mikrocontrollers PIC16F1779. Grafiken: Microchip
Bild 2: LED-Dimmer-Engine.
Bild 3: Wellenformen beim Dimmen einer LED.
Bild 4: Switched-Mode-LED-Treiberlösung mit Dimmerfunktion.
Mark Pallones / Leitender Applikationsingenieur /

Obwohl LED-Treiber viele Vorteile bieten, ist ihre Implementierung mit gewissen Herausforderungen verbunden. Wie sich diese Design-Probleme mit einem 8-Bit-Mikrocontroller reduzieren und leistungsfähige Switched-Mode-LED-Treiberlösungen mit grossem Funktionsumfang realisieren lassen, beschreibt dieser Beitrag.

Mit einem 8-Bit-Mikrocontroller lassen sich im Gegensatz zu den meisten Standard-LED-Treibern bis zu vier LED-Kanäle unabhängig voneinander steuern. Bild 1 zeigt, wie sich aus den im Mikrocontroller verfügbaren Peripherieschaltungen eine LED-Dimmer-Engine aufbauen lässt, von der jede über einen unabhängigen, geschlossenen Kanal, der den Switch-Mode-Leistungswandler mit minimaler oder komplett ohne CPU-Intervention steuern kann, verfügt. So bleibt die CPU für die Ausführung anderer wichtiger Aufgaben, wie Überwachungsfunktionen, Datenkommunikation oder zusätzliche Intelligenz im System, frei.

LED-Dimming-Engine

Der LED-Treiber in Bild 2 beruht auf einem Current-Mode-Hochsetzsteller und wird von der LED-Dimming-Engine gesteuert. Diese besteht hauptsächlich aus Core-unabhängigen Peripherieschaltungen (CIP – Core Independent Peripherals), darunter einem Complementary-Output-Generator (COG), einem Digitalsignal-Modulator (DSM), einem Komparator, einem programmierbaren Rampen-Generator (PRG), einem Operationsverstärker (OPA) und einem Pulsbreiten-Modulator 3 (PWM3). Diese CIP werden mit anderen, auf dem Chip integrierten Peripherieschaltungen kombiniert, um die Engine zu komplettieren: mit Festspannungsreglern (FVR), D/A-Wandlern (DAC) und einer Capture/Compare/PWM-Einheit (CCP). Der COG liefert einen Hochfrequenz-Schaltpuls an Mosfet Q1 und ermöglicht damit die Übertragung von Energie und Versorgungsstrom an die LED-Kette. Der CCP bestimmt die Schaltperiode des COG-Ausgangssignals. Der Komparator-Ausgang definiert das Tastverhältnis, das den LED-Konstantstrom aufrechterhält. Der Komparator liefert einen Ausgangspuls, sobald die Spannung über RSENSE1 grösser ist als die Ausgangsspannung des PRG-Moduls. Der PRG, dessen Ausgangssignal vom OPA-Ausgang in der Rückkopplungsschleife abgeleitet wird, ist als Slope Compensator konfiguriert und dient zur Kompensation des Effekts von inhärenten, subharmonischen Schwingungen, wenn das Tastverhältnis grösser als 50 Prozent ist.

Das OPA-Modul ist als Fehlerverstärker (EA – Error Amplifier) in einer Typ-II-Kompensator-Konfiguration implementiert. Der FVR dient als DAC-Eingang und liefert eine Spannungsreferenz für den nicht-invertierenden OPA-Eingang und erfüllt damit die Konstantstrom-Spezifikation für die LED.

Zur Realisierung der Dimmer-Funktion wird der PWM3 als Modulator für den CCP-Ausgang genutzt, während Mosfet Q2 so gesteuert wird, dass er die LED zyklisch schnell ein- und ausschaltet. Das DSM-Modul dient als Modulator; das modulierte Ausgangssignal geht dann weiter an den COG. PWM3 liefert Pulse mit variablem Taktverhältnis; diese steuern den durchschnittlichen Strom des Treibers und damit praktisch die Helligkeit der LED.

Die LED-Dimmer-Engine bietet nicht nur die Funktionen eines üblichen LED-Treiber-Controllers, sondern ermöglicht auch weitere Funktionen zur Lösung der typischen Probleme eines LED-Treibers. Im Folgenden werden diese Probleme erläutert und beschrieben, wie sich diese mit der LED-Dimmer-Engine vermeiden lassen.

Flackern

Flackern zählt zu den Herausforderungen typischer Switched-Mode-LED-Treiber. Zwar kann das Flackern bei beabsichtigtem Einsatz ein amüsanter Effekt sein, doch unbeabsichtigt flackernde LED beeinträchtigen das gewünschte Leuchten-Design stark. Um das Flackern zu vermeiden und einen flüssigen Dimming-Ablauf zu gewährleisten, sollte der Treiber den Dimming-Verlauf von 100 Prozent Lichtausgang bis ganz zum unteren Ende des Lichtpegels mit einem kontinuierlich fliessenden Effekt gewährleisten. Da die LED sofort auf Änderungen des Stroms reagiert und keinen Dämpfungseffekt aufweist, muss der Treiber genügend Dimming-Schritte bieten, damit das Auge die Veränderungen nicht wahrnimmt. Zur Erfüllung dieser Anforderungen nutzt die LED-Dimming-Engine das PWM3-Modul zur Steuerung der Dimmung. PWM3 ist ein Pulsbreiten-Modulator mit 16-Bit-Auflösung, der 65536 Schritte vom Tastverhältnis 100 bis 0 Prozent aufweist und damit einen quasi stufenlosen Lichtpegelübergang gewährleistet.

Verschiebung der LED-Farbtemperatur

Der LED-Treiber kann die Farbtemperatur der LED für den Verbraucher sichtbar verschieben, was dieser als Qualitätsmangel empfinden kann. Bild 3 zeigt eine typische PWM-LED-Dimming-Wellenform. Sobald die LED ausgeschaltet ist, nimmt der LED-Strom wegen der langsamen Entladung des Ausgangskondensators allmählich ab. Dieser Vorgang kann zur Verschiebung der LED-Farbtemperatur sowie zur höheren LED-Verlustleistung führen.

Die langsame Entladung des Ausgangskondensators lässt sich mit Hilfe eines Lastschalters vermeiden. So nutzt zum Beispiel die Schaltung in Bild 2 Q2 als Lastschalter, wobei die LED-Dimming-Engine diesen sowie den COG PWM synchron abschaltet. Damit unterbricht sie den Pfad des abklingenden Stroms, so dass die LED schnell abschalten kann.

Stromspitzen

In Switched-Mode-Umrichtern zur LED-Ansteuerung wird für die Regelung des LED-Stroms eine Rückkopplungsschaltung genutzt. Während des Dimmens kann die Rückkopplungsschaltung aber Stromspitzen erzeugen (siehe Bild 3), wenn der Betrieb nicht richtig ausgelegt wird. Dies ist in Bild 2 zu sehen, wo der Strom an die eingeschaltete LED geliefert und die über RSENSE2 abfallende Spannung an EA weitergeleitet wird. Wenn die LED abschaltet, erhält die LED keinen Strom und die Spannung über RSENSE2 ist gleich null. Während dieser Ausschaltzeit im Dimming-Vorgang steigt das EA-Ausgangssignal auf seinen Höchstwert an und überlädt das EA-Kompensationsnetzwerk. Sobald der modulierte PWM wieder einschaltet, dauert es einige Zyklen, bis er sich stabilisiert, während die LED mit hohem Spitzenstrom angesteuert und so ihre Lebensdauer verkürzt wird.

Um dies zu vermeiden, erlaubt es die LED-Dimming-Engine, PWM3 als Override-Quelle für den OPA zu nutzen. Wenn das Ausgangssignal von PWM3 Low ist, dann befindet sich der EA-Ausgang in Tristate, wodurch das Kompensationsnetzwerk vollständig von der Rückkopplungsschleife getrennt ist, und den letzten Punkt der stabilen Rückkopplung als Ladung im Kompensationskondensator hält. Geht der PWM3-Ausgang auf High und die LED schaltet wieder ein, ist das Kompensationsnetzwerk wieder angeschlossen und die EA-Ausgangsspannung springt sofort in ihren vorherigen stabilen Zustand (bevor PWM3 Low wurde). Damit wird der eingestellte LED-Stromwert fast augenblicklich wieder hergestellt.

Komplettlösung

Eine LED-Dimming-Engine arbeitet mit minimaler oder ohne CPU-Intervention. Während also die gesamte Aktivität zur Steuerung des LED-Treibers von den CIP übernommen wird, verbleibt der CPU wichtige Bandbreite zur Ausführung anderer wichtiger Aufgaben. Schutzfunktionen wie Unterspannung-Lockout (UVLO – Undervoltage Lockout), Überspannung-Lockout (OVLO – Overvoltage Lockout) und Ausgangsüberspannungsschutz (OOVP – Output Overvoltage Protection) lassen sich anhand der Verarbeitung der erfassten Ein- und Ausgangsspannung ausführen. Dies gewährleistet, dass der LED-Treiber innerhalb der gewünschten Spezifikationen arbeitet und die LED vor irregulären Ein- und Ausgangsbedingungen geschützt wird. Die CPU kann auch thermische Daten von einem Sensor verarbeiten, um die LED thermisch zu überwachen. Ausserdem kann die CPU bei der Einstellung des Dimmung-Pegels für den LED-Treiber Triggersignale vom einfachen externen Schalter oder einen Befehl von einer seriellen Schnittstelle verarbeiten. Weiterhin lassen sich die Parameter des LED-Treibers per serieller Datenübertragung für Überwachungs- und Testzwecke an externe Geräte senden.

Neben den oben beschriebenen Funktionen hat der Entwickler den Luxus, seine eigene LED-Anwendung um weitere intelligente Funktionen zu erweitern, wie beispielsweise DALI- oder DMX-Datenkommunikation und kundenspezifische Steuerfunktionen. Bild 4 zeigt das Beispiel einer umfassenden, dimmbaren Switched-Mode-LED-Treiberlösung unter Verwendung der LED-Dimming-Engine.