Tunable White LED Drivers

Über dieses Dokument

Diese Applikationsanleitung bietet Entwicklern von LED-Treibern und Field Application Engineers umfassende Anleitungen zur Implementierung kostengünstiger, hocheffizienter LED-Treiber mit Infineons linearen Konstantstromreglern BCR601 und BCR602.

Das Dokument zeigt, wie die traditionelle zweite Stufe eines Abwärtswandlers durch einen Linearregler mit aktiver Headroom-Control (AHC) ersetzt werden kann, ohne Effizienzeinbußen. Dieser Ansatz ermöglicht höchste Lichtqualität mit einer sehr kostengünstigen Lösung, was besonders für treiber für verstellbares Weißlicht und Mehrkanal-Treiber vorteilhaft ist.

Lineare Konstantstromregler in LED-Treibern

Mit steigenden Anforderungen an die Lichtqualität gewinnen LED-Treiber-Topologien an Beliebtheit, die einen nahezu perfekten Gleichstrom am Ausgang liefern. Die Linearregler BCR601 und BCR602 mit aktiver Headroom-Control können Wirkungsgrade erreichen, die mit Abwärtsstufen vergleichbar sind, bei gleichzeitig überlegener Lichtqualität.

Das AHC-System enthält zwei Regelkreise:

• Der erste Regelkreis stabilisiert den LED-Strom auf einen Wert, der durch den Shunt-Widerstand und den internen Referenzwert bestimmt wird
• Die zweite Rückkopplungsschleife reduziert die Überbrückungsspannung nahezu auf das minimal Mögliche, indem sie die Ausgangsspannung der ersten Stufe steuert.

Zu den wesentlichen Vorteilen dieses Ansatzes gehören:

• Reiner DC-LED-Strom eliminiert Flackern und stroboskopische Effekte.
• Einhaltung der IEEE 1789-2015-Empfehlungen unter allen Betriebsbedingungen
• Analoges Dimmen bis zu 3% ohne PWM-ähnliche Modulation
• Wirkungsgrade über 95 % bei entsprechender Auslegung

LED-Strom-Einstellung und Dimmen

Der Regler hat eine typische Referenzspannung von 400 mV im ungedimmten Zustand. Der nominelle LED-Strom kann über den Dimming-Pin (MFIO) reduziert werden, entweder durch Anlegen einer Gleichspannung oder durch Verwendung eines variablen Widerstands.

Effizienzoptimierung

Der Gesamtleistungsverlust des LED-Stromreglers mit AHC setzt sich aus Verlusten im Shunt-Widerstand und im MOSFET zusammen. Die Effizienz kann durch folgende Maßnahmen optimiert werden:

• Verwendung der höchstmöglichen LED-Spannung für eine gegebene Ausgangsleistung
• Reduzierung der Ausgangsspannungswelligkeit der ersten Stufe
• Geeignete Auswahl der Ausgangskapazität
• Optimale Einstellung der Headroom-Spannung

Schutzfunktionen

BCR601/602 umfassen umfassenden Schutz:

• Überspannungsschutz: Integrierte OVP-Stufe mit konfigurierbarem Schwellenwert
• Übertemperaturschutz: Interner Sensor reduziert den LED-Strom bei 140°C Sperrschichttemperatur
• Hot-Plug-Schutz: Begrenzt Stromspitzen beim Anschließen von LED-Strings an aktive Treiber
• Kurzschlussschutz: Optionale externe Schaltung zum Schutz vor Ausgangskurzschluss

Multikanal-LED-Treiber mit BCR601 plus BCR602

Der Linearregler-Ansatz kann durch Hinzufügen von BCR602-Stufen problemlos auf mehrere Ausgangskanäle erweitert werden. BCR602 ähnelt BCR601, besitzt jedoch keine AHC-Funktion, was es ideal für zusätzliche Kanäle in einem kleineren SOT-23-6-Gehäuse macht.

In Mehrkanalsystemen ist die optimale Strategie, stets den Kanal mit der niedrigsten Headroom-Spannung zur Regelung zu verwenden. Dies stellt sicher, dass alle Kanäle ausreichend Spannung erhalten, während die Effizienz erhalten bleibt.

Das Netzwerk zur Regelung des niedrigsten V_HR besteht aus einem Widerstand und einer Kleinsignaldiode pro Kanal. Dieser Ansatz gewährleistet einen ordnungsgemäßen Betrieb über verschiedene LED-Ströme hinweg in tunierbaren Weißanwendungen.

Wichtige Überlegungen für Mehrkanal-Designs:

• Das Dimmverhalten ist kanalübergreifend identisch
• OVP wird durch BCR601 für die gesamte Anwendung behandelt
• Beim Kurzschlussschutz ist auf die Verlustleistung der Zener-Diode zu achten
• Hot-Plug von LEDs wird in Multikanalanwendungen nicht unterstützt

Referenzdesign für tageslichtadaptive Beleuchtung

Das Referenzdesign demonstriert eine vollständige Implementierung eines treibers für weißlichtsteuerbare LEDs unter Verwendung von BCR601 und BCR602. Die Platine kann mit Infineons modularem Platinenkonzept (REF-XDPL8219-U40W) oder jeder SSR-PFC-Flyback-Primärstufe kombiniert werden.

Platinenspezifikationen

Schaltungsbeschreibung

Das Referenzdesign-Schaltbild umfasst:

• Strombegrenzungswiderstände für jeden Kanal
• Ausgangskurzschlussschutzschaltungen
• Headroom voltage setting network
• Entkopplungskondensatoren zur Rauschunterdrückung
• OVP-Spannungsteiler
• Stabile Versorgung für Optokoppler-Schaltung
• 3,3-V-Regler für die Controllerversorgung

Elektrische Leistungsdaten

Der auf BCR601 basierende Regler weist hervorragende Leistungsmerkmale auf:

LED-Stromstabilität

Das Referenzdesign hält den LED-Strom über variierende Anzahlen angeschlossener LEDs stabil, mit minimaler Abweichung vom Zielstrom.

Regulator Efficiency

Effizienzmessungen zeigen bei ordnungsgemäßer Auslegung eine Leistung von über 94%, was effektiv mit Schaltregler-Ansätzen konkurriert und gleichzeitig überlegene Lichtqualität bietet.

Lichtqualitätsanalyse

Der Linearregler-Ansatz liefert außergewöhnliche Lichtqualität mit praktisch keiner Modulation:

• Modulationsindex unter 0,1% bei maximalem LED-Strom
• Der AC-Anteil bleibt bei variierender Lichtleistung konstant
• Minimale Flimmer- und Stroboskopeffekte über den gesamten Dimmbereich
• Einhaltung strenger Lichtqualitätsstandards

Messungen mit einem Spektrallichtmessgerät zeigen eine hervorragende Leistung:

Systemleistung

In Kombination mit der REF-XDPL8219-U40W Primärseite demonstriert das vollständige System:

• Systemwirkungsgrad bei Nennlast über 87% über alle Eingangsnetzspannungen
• Excellent power factor (>0.99) over wide dimming range
• Low input current THD (<10%)
• Stabile thermische Leistung unter Volllastbedingungen

Diese Ergebnisse sind beeindruckend für einen Hochleistungs-Flyback-Konverter mit linearer Zweitstufe und können effektiv mit komplexeren Topologien konkurrieren.

Stückliste

Das Referenzdesign enthält eine umfassende Stückliste mit Komponenten von renommierten Herstellern: