Bei LED-Treibern auf Basis eines asynchronen Boost-Konverters kann ein ausgangsseitiger Kurzschluss die Boost-Induktivität sättigen und eine Stromspitze verursachen, die die Boost-Diode oder den PWM-Controller zerstören kann. Dafür führt TI einen Schaltungsschutz ein.

Abbildung 1. Prinzip einer LED-Treiberschaltung basierend auf der nicht isolierten Boost-Topologie. (Bild: TI)

Bei LED-Treibern werden oft asynchrone Aufwärtswandler (Step-Up-Converter) verwendet, wenn die zur Verfügung stehende Eingangsspannung nicht ausreicht, um eine Reihen- oder Parallelschaltung mehrerer LED-Ketten mit ausreichender Flussspannung zu versorgen. Diese induktive Schaltnetzteiltopologie liefert die notwendige Ausgangsspannung zur Regelung des LED-Stroms und wird daher häufig in LCD-Hintergrundbeleuchtungen eingesetzt. Bei Anwendungen, bei denen LED-Matrix und Treiber getrennt voneinander angeordnet sind, wie beispielsweise Innen- und Außenbeleuchtung in Kraftfahrzeugen, besteht die Gefahr eines Kurzschlusses zwischen Ausgang und Masse. Die potenziell katastrophalen Folgen eines solchen Ereignisses können mit einer Schutzschaltung abgewendet werden, die den Kurzschlussstrom begrenzt und als elektronischer Schutzschalter wirkt.

Wie Bild 1 zeigt, ist der Eingang eines Boost-Wandlers über die Boost-Induktivität L1 und die Boost-Diode D1 mit seinem Ausgang verbunden. Ein Kurzschluss am Ausgang kann daher zur Sättigung der Boost-Induktivität führen und eine Stromspitze verursachen, die die Boost-Diode zerstören kann. Gravierender ist, dass der Kurzschluss auch alle am Eingang angeschlossenen Stromkreise außer Betrieb setzen kann, einschließlich des PWM-Controllers (Pulsweitenmodulator). Damit ist klar, dass hier ein Schaltungsschutz vorhanden sein muss.

LED-Treiber auf Basis eines asynchronen Hochsetzstellers benötigen bei einem ausgangsseitigen Kurzschluss einen soliden Bauteil-Überlastschutz. Texas Instruments empfiehlt, seinen TPS40211-Current-Mode-Boost-Controller um den Strom-Shunt-Monitor INA210 und einen schnellen MOSFET zu erweitern, um Komponenten und Peripheriegeräte vor Beschädigungen zu schützen.

Im Folgenden wird eine vielseitige und kostengünstige Schaltung beschrieben, die optimiert werden kann, um den Aufwärtswandler und seinen Eingang vor Kurzschlüssen am Ausgang zu schützen. Der Artikel stellt sogar eine Schaltungssimulation vor, mit der sich das gewünschte Verhalten verifizieren lässt.

Abbildung 2. Der Stromshuntwächter INA201 bietet Schutzfunktionen und enthält einen Differenzmessverstärker und einen Komparator mit interner Referenzspannung. TI

Der sogenannte Current Shunt Monitor (CSM) ist ein präziser, differentieller Strommessverstärker mit hoher Verstärkung, der häufig zur Überwachung von Ein- und Ausgangsströmen eingesetzt wird. Die in Abbildung 2 gezeigte typische Konfiguration umfasst einen Open-Drain-Komparator, der so programmiert werden kann, dass er bei einem bestimmten Strom auslöst, hält und zurücksetzt.

Über den Ausgang des Komparators lässt sich ein externer MOSFET ansteuern, der einen Kurzschluss innerhalb weniger Mikrosekunden unterbrechen kann. Neben der Unterbrechung des Eingangsstroms bei einem Fehler am Ausgang eignet sich der Analogausgang auch als Abhilfe für das Problem der sogenannten negativen Eingangsimpedanz eines Schaltreglers, die den Eingangsstrom ansteigen lässt wenn die Eingangsspannung abfällt.

Abbildung 3. Der Eingangsstrombegrenzer basiert auf der Erfassung des Eingangs- und Ausgangsstroms TI

Der Eingang kann begrenzt werden, indem die Eingangs- und Ausgangsströme mit einer logischen ODER-Funktion kombiniert werden. Ziel ist es, ein kombiniertes Feedback-Signal zu erzeugen, das den PWM-Controller steuert, wie in Abbildung 3 gezeigt. In diesem Fall übersteuert das CSM das Feedback-Signal des Ausgangsstroms und sorgt dafür, dass der LED-Strom sinkt, wenn die Eingangsspannung unter einen bestimmten Grenzwert fällt Wert. Auf diese Weise wird der Eingangsstrom begrenzt.

Die Implementierung eines als Aufwärtswandler konfigurierten LED-Treibers ist in Abbildung 4a gezeigt; an die Boost-Diode SD1 in Bild 4b ist ausgangsseitig eine Kurzschlussschutzschaltung angeschlossen. Die in der Schaltung verwendete Ostar LED von Osram Opto Semiconductors ist für Fahrzeugscheinwerfer vorgesehen. Es handelt sich um eine monolithische Fünffach-LED auf einem isolierten Metallsubstrat. Das Bauteil hält einem Stoßstrom von 2 A für maximal 10 µs stand, die typische Durchlassspannung beträgt 18 V bei 1 A. Der DC/DC-Boost-Wandler erfasst den LED-Durchlassstrom am Feedback-Pin und variiert die Ausgangsspannung zur Regelung der LED-Strom. Der LED-Strom wird über den Widerstand RSNS erfasst, dessen Wert proportional zur internen Bandgap-Referenz des PWM-Wandlers ist (RSNS = VREF / ILED). Durch den Einsatz eines Aufwärtswandlers mit niedriger Referenzspannung lässt sich ein hoher Wandlerwirkungsgrad leichter erreichen und auch die thermische Belastung des Bauteils reduzieren.

Abbildung 4a (linke Schaltplanhälfte, Überlappungspunkt ist SD1): Der LED-Treiber ist mit dem Strommodus-Boost-Controller TPS40211 realisiert. TI

Grundsätzlich kann die LED eine Lebensdauer von mehr als 50.000 Stunden erreichen. Er ist jedoch empfindlich gegenüber thermischen und elektrischen Überlastungen, und seine dynamischen Impedanzeigenschaften stellen oft eine Herausforderung dar, wenn es um die Komponentenauswahl für das Schaltregler- und Regelkreisdesign geht. Diese Herausforderungen sind Gegenstand einer speziellen Application Note. Vor diesem Hintergrund wurde eine Simulation der Schaltung in Bild 4 entwickelt, um die Komplexität des LED-Treibers und der Schutzschaltungen analysieren zu können und Aussagen über das wahrscheinliche Verhalten der Schaltung unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu erhalten.

Der für die Analyse ausgewählte PWM-Controller hat eine Feedback-Referenzspannung von 0,26 V. Bei einem LED-Strom von 1 A beträgt der Leistungsabfall am Messwiderstand nur 0,26 W. Da der CSM eine Verstärkung von 50 hat, ist ein deutlich kleinerer Messwiderstand wird verwendet, um den Ausgangsstrom zu messen. Sobald dieser Strom einen durch den CSM-Messwiderstand, die Verstärkung des CSM und die Komparator-Ansprechschwelle über Rb und Rt in Bild 4b eingestellten Grenzwert überschreitet, unterbricht der PMOS-Reihentransistor T5 den Laststrom und fungiert damit als elektronischer Schutzschalter.

Bild 4b (rechte Schaltplanhälfte, Überlappungspunkt ist SD1): Der Strom-Shunt-Monitor INA210C bietet ausgangsseitig einen Kurzschlussschutz. TI

Der in diesem Zustand verbleibende Ausgang kann zurückgesetzt werden, indem der Reset-Pin auf den niedrigen Zustand gesetzt wird. Für die Zwecke dieses Artikels wurde jedoch der Reset-Pin außer Betrieb genommen, um die Reaktionsgeschwindigkeit untersuchen zu können. Die Reaktionsgeschwindigkeit und die maximalen Ströme hängen von zahlreichen Variablen ab – beispielsweise von den ausgewählten Komponenten, der CSM-Bandbreite, dem Rauschfilter, der Ausgangskapazität, dem verwendeten FET und der Boost-Induktivität am Ausgang. Zusammen beeinflussen diese Faktoren die Ausgangsimpedanz des Wandlers. Um das Verhalten genau zu erfassen, wurde die Simulation mit einer maximalen Zeitschrittweite von 50 ns und einer relativen DC-Toleranz von 0,001% durchgeführt. Die Analyse wurde mit TINA-TI durchgeführt, einem kostenlosen Simulator, der mit Berkeley-SPICE-3f5 kompatibel ist. Die 5-ms-Simulation des Hochsetzstellers, der mit einer Schaltfrequenz von 300 kHz arbeitet, dauert vom Anlauf bis zum Beharrungszustand knapp 30 Sekunden.

Das CSM kann entweder am Eingang oder am Ausgang des Aufwärtswandlers platziert werden. In der vorliegenden Simulation wird es am Ausgang platziert. Er erfasst den Strom durch einen Shunt-Widerstand von 10 mΩ, der in Reihe mit dem PMOS-Reihentransistor (T5) am Ausgang liegt. Je nach Standort des CSM bietet die Schaltung Schutz gegen interne und/oder externe Kurzschlüsse. Der CSM muss jedoch so ausgelegt sein, dass er unter allen Bedingungen einen ausreichend großen Gleichtaktbereich aufweist.

Wird das CSM am Eingang des Aufwärtswandlers platziert, reicht ein kleinerer Gleichtaktbereich aus. Die Anordnung des CSM am Ausgang schafft jedoch einen Bypass für die Boost-Induktivität und ermöglicht so eine schnellere Reaktion auf einen Kurzschluss. Unabhängig vom Standort des CSM sollte immer ein RC-Filter verwendet werden, um Stör- und resonanzbedingte Schwingungen zu dämpfen, die sonst durch sprunghafte di/dt-Phänomene im Shunt-Widerstand entstehen könnten. Geeignet sind ein kleiner 100--Widerstand und ein Differenzkondensator mit einer Zeitkonstante, die dreimal größer ist als die geschätzte Zeitkonstante aus der parasitären Induktivität Lp und dem Widerstandswert R des Shunt-Widerstands. Da sich der Rauschfilter ungünstig auf den Verstärkungsfehler und die Bandbreite des CSM auswirkt, ist es wichtig, den Filter konstant klein zu halten.

Abbildung 5. Der Stromshuntwächter INA210 reagiert schnell und verhindert Überschwingungen am Ausgangsstrom I_out, wie die Simulationsergebnisse zeigen. Ein schneller MOSFET-Schalter minimiert zudem ein Überschwingen des Eingangsstroms (blaue Kurve von I_in). TI

Das Ergebnis der Simulation ist in Abbildung 5 dargestellt. Vg ist die Gate-Steuerspannung des PMOS-FET. Unter normalen Bedingungen sind es -6 V. Abhängig von der Schwellenspannung, der Gateladung und den Sättigungseigenschaften des FET ist hier eine Optimierung erforderlich. Die Ansprechzeit kann durch Minimieren der Gatespannung verbessert werden. Der Pull-Up-Widerstand sollte im Hinblick auf eine Minimierung der Unterbrechungszeit gewählt werden. Der Eingangsstrom und die Gate-Spannung werden einmal für einen MOSFET mit hoher Gate-Ladung (lila) und einmal für einen MOSFET mit niedriger Gate-Ladung (blau) angezeigt.

Es ist deutlich zu erkennen, dass das Bauelement mit einer geringeren Gate-Ladung den Strom am Eingang minimiert. Der MOSFET und die Gate-Treiberschaltung sollten so dimensioniert sein, dass optimale Ansprecheigenschaften erreicht werden. Wichtig sind auch die di/dt-Begrenzung und die Einhaltung eines sicheren Arbeitsbereichs des MOSFET. Da diese komplexen Designaspekte nicht ohne weiteres zu analysieren sind, lassen sie sich am besten in Praxistests simulieren und verifizieren.

Einige Oszilloskope, beispielsweise von Tektronix, sind mit einer speziellen Testsoftware ausgestattet, mit der die Verluste im Schalter entsprechend dem sicheren Arbeitsbereich des MOSFET berechnet werden können. Die Simulation zeigt eine Reaktionszeit von weniger als 2 µs, sodass der Eingangsstrom auf weniger als 6 A ansteigt, bevor er unterbrochen wird. Der maximale Eingangs- und Ausgangsstrom hängt davon ab, welcher FET als Leistungsschalter ausgewählt wird. Eine weitere Option sind leistungsstarke Hot-Swap-Controller, die High-Side-NMOS-Komponenten ansteuern und Unterbrechungszeiten von unter 250 ns erreichen können. Obwohl diese Module eigentlich für das Einstecken von Karten in Backplanes im laufenden Betrieb ausgelegt sind, können sie eine leistungsfähigere Lösung als das hier gezeigte Konzept bieten.

Die hier vorgestellte simulierte Schaltung unterbricht und begrenzt den Eingangs- und Ausgangsstrom eines als Hochsetzsteller konfigurierten LED-Treibers unter den unterschiedlichsten Lastbedingungen. Es ist für den Einsatz in einem Fahrer für Fahrzeugscheinwerfer optimiert. Wir konnten zeigen, dass eine sorgfältige Analyse und Komponentenauswahl notwendig ist, um der Schaltung eine optimale Reaktionsgeschwindigkeit zu verleihen. Die Berücksichtigung dieser Empfindlichkeiten in einer umfassenden Schaltungssimulation im Zeitbereich hilft, das Verhalten der Schaltung unter verschiedenen Betriebsbedingungen und mit unterschiedlichen Komponenten zu verstehen.

Auch der Einsatz spezieller Hot-Swap-Controller mit besonderen Eigenschaften und optimierter Performance sollte in Erwägung gezogen werden. Unabhängig davon ist in jedem Fall eine sorgfältige Analyse erforderlich, wenn ein Stromkreis einen Strom unterbrechen oder begrenzen soll. Das Entwerfen einer robusten Schutzschaltung für einen LED-Treiber ist eine komplexe Aufgabe. Software wie TINA-TI, SPICE und Webench sind immer eine große Hilfe bei der Beschleunigung der Analyse und des Schaltungsentwurfs.

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