Neue LED-Treiber mit PFC und PSR werden den Hausforderungen bei Leistung, Platz und Kosten gerecht

LED-Beleuchtungsdesigner sind immer auf der Suche nach LED-Treibern mit geringem Leistungsverlust, noch kleinerem Systemgehäuse und natürlich geringeren Kosten. Gleichzeitig müssen sich diese Treiber im niedrigen bis hohen Leistungsbereich durch hohe Zuverlässigkeit auszeichnen. Um diesen Ansprüchen gerecht zu werden, integrieren die Hersteller von LED-Treibern zunehmend Schaltungen zur Leistungsfaktorkorrektur (PFC) zur Erzielung höherer Leistungsqualitäten und zur primärseitigen Regelung (PSR) zur Kostensenkung durch Wegfall sekundärseitiger Feedback-Schaltungen. Außerdem setzen sie die Flyback-Topologie zur Vereinfachung des Designs ein.

Durch den Einsatz von PFC-Schaltungen in ihren Designs erzielen die LED-Treiberhersteller eine bessere Leistungsqualität – einen geringeren Leistungsverlust, um so den gesetzlichen Standards in verschiedenen Regionen gerecht zu werden. Und mithilfe von PSR senken sie die Kosten. PSR bewirkt gleich mehreres: Es entfällt der Verlust durch Messung des Ausgangsstroms aber auch sämtlich sekundäre Feedback-Schaltung. So entstehen LED-Treiber mit höherem Wirkungsgrad, ohne dass das jedoch zu Preissteigerungen führt. Außerdem ist dabei eine höhere Zuverlässigkeit gewährleistet, weil PSR die LED-Treiber-Ausgangsspannung ohne sekundäre Feedback-Schaltung regelt. Zusätzlich zu PFC und PSR kommt bei diesen Anwendungen zur Vereinfachung des Designs noch die Flyback-Topologie zum Einsatz.

Ein Beispiel hierfür ist der von Fairchild Semiconductor angebotene FL7733A, ein einstufiger PSR-Flyback-LED-Treiber. Bei der Entwicklung des LED-Treibers standen eine konstante Helligkeit und sofortiges flimmerfreies Einschalten der LED-Beleuchtung im Mittelpunkt. Der FL7733A mit PSR verringert die Anzahl der Komponenten LED-Wandlern im niedrigen bis mittleren Leistungsbereich, denn es entfallen sowohl ein Eingangs-Bulk-Kondensator als auch die sekundäre Feedback-Schaltung, was gleichzeitig die Kosten vermindert. Das kleine 8-Pin-SOP-Gehäuse des FL7733A spart außerdem Platz auf der Leiterplatte. Der Baustein eignet sich gut für SSL-Deckenstrahler aber auch für PAR- und A19-Glühlampenanwendungen.

Der LED-Treiber FL7733A (Abbildung 1) kann in den unterschiedlichsten LED-Anwendungen von 5 W bis über 60 W im Innen- und Außenbereich eingesetzt werden. Der LED-Treiber sorgt auch für eine präzise Konstantstromregelung, einen hohen Leistungsfaktor (PF) und einen niedrigen Gesamtklirrfaktor (THD), wodurch er die Anforderungen vieler regionaler Märkte erfüllt. Mit einem THD-Wert von unter 10 unter universellen Netzspannungsbedingungen erfüllt er die weltweiten Standards und liegt laut Fairchild damit deutlich unter den 30 Prozent THD, die von den meisten regionalen Vorschriften gefordert werden. Dank all dieser Merkmale können Designer weltweite Standards und Vorschriften für die LED-Beleuchtung mit einer Einzellösung erfüllen.

Abbildung 1: Blockschaltbild des PSR-Flyback-LED-Treibers FL7733A: Preisgünstigere Designs werden durch Wegfall der sekundärseitigen Feedback-Schaltung erzielt. (Mit Genehmigung von Fairchild Semiconductor)

Der hohe Leistungsfaktor von über 0,9 und der geringe THD-Wert werden durch Minimierung der Einschaltschwankungen erreicht. In der Flyback- oder Buck-Boost-Topologie sorgen konstante Einschaltzeit und konstante Frequenz im lückenden Betrieb (Discontinuous Current Mode, DCM) für den hohen Leistungsfaktor und den geringen THD-Wert. Allgemein hat sich in der Branche der generelle Einsatz von DCM für die PSR-Flyback-Technologie verbreitet, da hiermit eine bessere Ausgangsregelung erreicht wird.

Die Bausteine enthalten auch Schutzfunktionen, darunter LED-Kurzschluss-/Leerlaufschutz, Schutz vor Ausgangsdiodenkurzschluss, Messwiderstands-Kurzschluss-/Leerlaufschutz, Cycle-by-cycle Strombegrenzung, Übertemperaturschutz für hohe Systemzuverlässigkeit und Unterspannungsabschaltung. Außerdem kommt eine doppelte Überspannungsschutzschaltung (OVP) zum Einsatz, um den UL SELV-Vorschriften für Ausgänge unter 60 V gerecht zu werden. Neben der Einsparung von Leiterplattenfläche tragen diese Schutzfunktionen auch zu einer höheren Zuverlässigkeit der LED-Beleuchtung bei.

Darüber hinaus verfügt der LED-Treiber über eine integrierte Hochspannungs-Einschaltfunktion, die ein schnelles Einschalten (<200 ms bei 85 V_AC) und einen hohen Systemwirkungsgrad gewährleistet. Beim Einschaltvorgang kommt ein adaptiver Regelkreis zum Einsatz, um die Feedback-Anfangsbedingung nahe zum stationären Zustand einzustellen, wodurch es kein Über- oder Unterschießen des LED-Stroms gibt.

Dank der von Fairchild eingesetzten TRUECURRENT-Technologie für enge Toleranzen bei der Konstantstromausgabe ermöglicht der FL7733A Designs mit einer konstanten Stromtoleranz von unter ±1 Prozent über die allgemeine Netzspannung, um die LED-Helligkeitsanforderungen zu erfüllen. Die TRUECURRENT-Technologie ermöglicht eine präzise und konstante LED-Stromregelung unabhängig von verschiedenen Faktoren wie Eingangsspannung. Ausgangsspannung und Schwankungen der Magnetinduktivität. Einer der Hauptgründe, warum eine präzise und konstante Regelung für LED-Beleuchtungsdesigns so wichtig ist: Der Strom bestimmt die LED-Helligkeit. Ohne eine präzise Regelung würde es zu Helligkeitsabweichungen zwischen den einzelnen Lampen kommen. Außerdem könnten auch Verschiebungen der Lichtfarbe von Lampe zu Lampe die Folge sein.

Der LED-Treiber ermöglicht eine flimmerfreie konstante Helligkeit über einen breiten Betriebsbereich hinweg, mit einer Konstantstromtoleranz von unter ±3 Prozent unter allen Bedingungen, und eine Einschaltdauer von unter 0,2 Sekunden. Ein weiteres Hauptmerkmal ist seine Kompatibilität mit Hochspannungs-LED-Modulen mit einem ultrabreiten Ausgangsspannungsbereich von 10 bis 100 Prozent.

Was für Designer wichtig ist, denen auch Lieferkettenprobleme und die Verringerung der Stückliste (BOM) am Herzen liegen: Der LED-Treiber vereinfacht auch die Lieferkette, indem er eine einzige Lösung für Designs im Bereich von 5 W bis über 60 W liefert.

Es gibt eine ganze Reihe von Flyback-Controller-ICs, die speziell für kostengünstige LED-Teiberdesigns entwickelt wurden. Ein Beispiel hierfür ist der von International Rectifier stammende IRS29831 LEDrivIR-Flyback-Controller-IC. Dieser Controller-IC wurde für einstufige Flyback- und Buck-Boost-Topologien optimiert, wie sie in LED-Treibern für LED-Nachrüstlampen, LED-Leuchtröhren und -Deckenstrahlern verwendet werden.

Außerdem bietet der IC einstufiges PSR, samt hohem Leistungsfaktor, niedrigem THD-Wert und zahlreichen Schutzfunktionen. Der IRS29831 (Abbildung 2) ist in erster Linie für LED-Treiberanwendungen bis zu 25 W gedacht, bei denen isolierte oder nicht-isolierte Flyback-Wandler- oder Buck-Boost-Topologien zum Einsatz kommen.

Zu den Hauptaufgaben, denen sich die LED-Treiberhersteller in den letzten paar Jahren ununterbrochen gewidmet haben, zählen höhere Integration, Kostensenkung und Vereinfachung des Designs. Der IRS29831 integriert einen LED-Treiber-Controller-IC und einen Leistungs-MOSFET mit 700-V-Technologie, was zu geringeren Stücklistenkosten (BOM) und Platzeinsparung führt. Der Baustein verfügt auch über eine Hochspannungs-Einschaltfunktion, die eine einfach einstufige Lösung bietet und gleichzeitig einen hohen Leistungsfaktor und niedrigen THD-Wert für verbesserte Effizienz gewährleistet.

Abbildung 2: Der IRS29831 von International Rectifier zur primärseitigen Regelung in einem Design mit einstufiger PFC-Flyback-Topologie (Mit Genehmigung von International Rectifier)

LED-Treiberschaltungen auf Basis des IRS29831 ermöglichen laut Herstellerangaben ein reibungsloses und flimmerfreies Dimmen mit TRIAC-basierten Dimmern. Der Baustein verfügt auch über die unterschiedlichsten Schutzfunktionen, darunter Hiccup-Überspannungsschutz bei Lastunterbrechung, Cycle-by-cycle Strombegrenzung und Kurzschlussschutz des Ausgangs. Zu seinen weiteren Merkmalen zählen ein schnelles Einschalten sowie der Betrieb über einen breiten Eingangsspannungsbereich hinweg.

Der IRS29831 bietet auch den CCM-Betrieb (Critical Conduction Mode) mit lückendem und Stoßbetrieb bei geringer Last. Anwender können damit isolierte Designs konfigurieren, ohne einen Optokoppler einsetzen zu müssen. Der Controller-IC ist in einem 8-Pin-DIP-Gehäuse untergebracht.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Bei LED-Beleuchtungsanwendungen im unteren bis mittleren Leistungsbereich sind mit PSR-Flyback-LED-Treibern mit DCM-Betrieb hohe Wirkungsgrade, ein hoher Leistungsfaktor und ein geringer THD-Wert realisierbar, um den LED-Beleuchtungsanforderungen auf der ganzen Welt gerecht zu werden. Diese Designs zeichnen sich außerdem durch verringerte Stücklisten (BOM) aus, wodurch Platzbedarf und Gesamtkosten sinken, während gleichzeitig das Produktdesign vereinfacht wird. Auf diese Faktoren kommt es Designern an, die ständig vor neuen Designherausforderungen stehen.

Weitere Informationen zu den in diesem Artikel beschriebenen Produkten finden Sie über die bereitgestellten Links zu den Produktinformationsseiten auf der Digi-Key-Website.