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Die vorliegende Beschreibung betrifft Schaltungen und Verfahren zum Ansteuern von Leuchtdioden (LEDs), insbesondere Schaltungen und Verfahren zum Ansteuern von LEDs mit einem Laststrom, der so geregelt wird, dass er die resultierende wahrnehmbare Helligkeit der LEDs auf einem gewünschten Wert hält.
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In den letzten Jahren haben sich Leuchtdioden als brauchbare Lichtquellen herausgestellt. Leuchtdioden, die auch als Festkörperbeleuchtungseinrichtungen oder einfach LEDs bezeichnet werden, sind hoch effiziente, robuste und langlebige Beleuchtungseinrichtungen. Seit den 1960ern, als die ersten LEDs auf den Markt kamen, hat sich die Technologie enorm verbessert. LEDs stellen derzeit den Industriestandard bei den verschiedensten Spezialbeleuchtungsmärkten dar, und die beliebten Birnen finden schnellen Einzug in den allgemeinen Beleuchtungsmarkt. LED-Lampen sind energieeffizienter und langlebiger als zum Beispiel Glühlampen, Halogenlampen und Leuchtstofflampen. Fortschritte in der Technologie haben LEDs ergeben, die in der Regel vier- bis fünfmal effizienter als Glühlampen sind und Lebensdauern von mehr als zehntausenden von Stunden aufweisen.
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LEDs sind mittels Strom angesteuerte Einrichtungen, deren Helligkeit proportional zu ihrem durchschnittlichen Durchlassstrom (auch als ihr durchschnittlicher Laststrom bezeichnet) ist. Aus diesem Grund werden LEDs normalerweise mittels einer Stromquelle angesteuert, die einen konstanten Strom bereitstellt. Die Konstantstromquelle eliminiert Laststromvariationen, die aus Variationen in der Durchlassspannung einer LED resultieren, und gewährleistet somit eine konstante LED-Helligkeit. Bei bekannten LED-Treibern, die oft als Schaltwandler, wie zum Beispiel Abwärtswandler, Hochsetzsteller oder Hochsetz-/Abwärtswandler implementiert sind, sind mehrere Komponenten integriert, die Spannungen bewerten und diese Spannungen mit einer Bezugsspannung vergleichen. Normalerweise wird gemäß den Ergebnissen dieses Vergleiches ein Leistungshalbleiterschalter (zum Beispiel ein MOSFET) an- und ausgeschaltet, um eine Induktivität aufzuladen oder zu entladen.
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Die Applikationsschrift AN874, „Buck Configuration High-Power LED Drive", Microchip Technology, 2006, beschreibt eine Schaltstromversorgungsschaltung, die den einer LED zugeführten Lastrom regelt. Während der Verzögerungszeitdauer, die zur Durchführung der Messungen des LED-Stroms und zur Aktivierung des Schalters benötigt wird (z. B. aufgrund von Laufzeitverzögerungen), um die Induktivität aufzuladen oder zu entladen, wird jedoch der gewünschte Maximalwert des LED-Stroms überschritten. Dies führt zu einer Fehlanpassung zwischen dem gewünschten durchschnittlichen Laststrom und dem der LED zugeführten eigentlichen durchschnittlichen Laststrom, was zu einer ungewünschten Erhöhung der Helligkeit der LEDs führt.
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Obgleich diese Fehlanpassung beim Schaltungsentwurf einbezogen werden kann, wird der der LED zugeführte durchschnittliche Lastrom und somit die LED-Helligkeit selbst für verschiedene Durchlassspannungen (die temperaturabhängig sind) der LED sowie für eine unterschiedliche Zahl von hintereinandergeschalteten LEDs und für verschiedene an die LED und den LED-Treiber angelegte Versorgungsspannungen unterschiedlich sein. Das heißt, dass gängige LED-Treiber – selbst wenn sie als Stromquellen ausgelegt sind – aufgrund der oben erwähnten Verzögerungszeiten gewöhnlich den durchschnittlichen Laststrom nicht konstant halten können (z. B. wenn die Versorgungsspannung oder die LED-Durchlassspannungen variieren bei unterschiedlichen Induktivitätswerten der Induktivität). Somit müssen die LED-Treiber für jede unterschiedliche Situation rekonfiguriert werden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstigere aber effektive Lösung bereitzustellen, die (eine fast) konstante Helligkeit für verschiedene Versorgungsspannungen oder verschiedene LED-Durchlassspannungen gewährleistet, ohne dass die Schaltung rekonfiguriert werden muss.
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Diese Aufgabe wird durch die Schaltung nach Anspruch 1, den LED-Treiber nach Anspruch 10 und das Verfahren nach Anspruch 11 gelöst. Verschiedene Ausführungsbeispiele und weitere Entwicklungen sind durch die abhängigen Ansprüche abgedeckt.
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Es ist eine Schaltung zum Ansteuern von Leuchtdioden (LEDs) beschrieben. Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung enthält die Schaltung einen ersten Halbleiterschalter und eine Freilaufeinrichtung, die zwischen einem ersten Versorgungsanschluss, der eine Versorgungsspannung bereitstellt, und einem zweiten Versorgungsanschluss, der ein Bezugspotential bereitstellt, in Reihe gekoppelt sind, wobei der erste Halbleiterschalter auf ein Ansteuerungssignal reagiert. Mindestens eine LED und eine Induktivität sind zwischen einem gemeinsamen Schaltkreisknoten des ersten Halbleiterschalters und der Freilaufeinrichtung und entweder dem ersten Versorgungsanschluss oder dem zweiten Versorgungsanschluss in Reihe gekoppelt. An die LED ist eine Strommessschaltung gekoppelt, die ein Laststromsignal bereitstellt, welches einen durch die mindestens eine LED laufenden Laststrom darstellt. Eine erste Rückkopplungsschaltung enthält einen An-Aus-Controller, der das Laststromsignal und ein Bezugssignal empfängt, das Laststromsignal mit dem Bezugssignal vergleicht und das Ansteuerungssignal in Abhängigkeit von dem Vergleich erzeugt. Ferner empfängt eine zweite Rückkopplungsschaltung das Laststromsignal, bestimmt ein Durchschnittslaststromsignal und erzeugt in Abhängigkeit vom Durchschnittslaststromsignal und einem Bezugswert das Bezugssignal, welches der ersten Rückkopplungsschaltung zugeführt wird.
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Gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung enthält die Schaltung einen ersten Halbleiterschalter und eine Freilaufeinrichtung, die zwischen einem ersten Versorgungsanschluss, die eine Versorgungsspannung bereitstellt, und einem zweiten Versorgungsanschluss, der ein Bezugspotential bereitstellt, in Reihe gekoppelt sind, wobei der erste Halbleiterschalter auf ein Ansteuerungssignal reagiert. Zwischen einem gemeinsamen Schaltkreisknoten des ersten Halbleiterschalters und der Freilaufeinrichtung und entweder dem ersten Versorgungsanschluss oder dem zweiten Versorgungsanschluss sind mindestens eine LED und eine Induktivität in Reihe gekoppelt. An die LED ist eine Strommessschaltung gekoppelt, die ein Laststromsignal bereitstellt, welches einen durch die mindestens eine LED laufenden Laststrom darstellt. Eine erste Rückkopplungsschaltung enthält einen An-Aus-Controller, der das Laststromsignal und ein Bezugssignal empfängt, das Laststromsignal mit dem Bezugssignal vergleicht und das Ansteuerungssignal in Abhängigkeit von dem Vergleich erzeugt. Ferner ist eine zweite Rückkopplungsschaltung bereitgestellt. Die zweite Rückkopplungsschaltung enthält einen Filter, der das Laststromsignal empfängt und ein gefiltertes Signal bereitstellt, welches den Durchschnittslaststrom darstellt. Ferner enthält die zweite Rückkopplungsschaltung einen Regler, der das gefilterte Signal empfängt und, als Sollwert, einen Bezugswert, ein Steuersignal in Abhängigkeit des Unterschieds zwischen dem Bezugswert und dem gefilterten Signal gemäß einem vordefinierten Regelungsgesetz bestimmt und das Bezugssignal gemäß dem Steuersignal erzeugt.
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Ferner ist ein LED-Treiber zum Ansteuern mindestens einer LED beschrieben. Der LED-Treiber kann mit einer Induktivität zwischen einem Treiberausgangsanschluss und einem ersten oder zweiten Versorgungsanschluss, der eine Versorgungsspannung bzw. ein Bezugspotential bereitstellt, in Reihe gekoppelt sein. Gemäß einem Beispiel der Erfindung enthält der LED-Treiber einen ersten Halbleiterschalter und eine Freilaufeinrichtung, die zwischen dem ersten Versorgungsanschluss, der die Versorgungsspannung bereitstellt, und dem zweiten Versorgungsanschluss, der das Bezugspotential bereitstellt, in Reihe gekoppelt sind. Der erste Halbleiterschalter reagiert auf ein Ansteuerungssignal. Ferner ist der gemeinsame Schaltungsknoten des ersten Halbleiterschalters und der Freilaufeinrichtung mit dem Ausgangsanschluss verbunden. Der LED-Treiber enthält ferner eine Strommessschaltung, die mit der LED gekoppelt ist und ein Laststromsignal bereitstellt, welches einen durch die mindestens eine LED laufenden Laststrom darstellt.
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Eine erste Rückkopplungsschaltung enthält einen An-Aus-Controller, der das Laststromsignal und ein Bezugssignal empfängt, das Laststromsignal mit dem Bezugssignal vergleicht und das Ansteuerungssignal in Abhängigkeit des Vergleichs erzeugt. Eine zweite Rückkopplungsschaltung umfasst einen Filter und einen Regler, wobei der Filter das Laststromsignal empfängt und ein gefiltertes Signal bereitstellt, welches den Durchschnittslaststrom darstellt. Der Regler empfängt das gefilterte Signal und, als Sollwert, einen Bezugswert, bestimmt ein Steuersignal in Abhängigkeit des Unterschieds zwischen dem Bezugswert und dem gefilterten Signal gemäß einem vordefinierten Regelungsgesetz und erzeugt das Bezugssignal gemäß dem Steuersignal.
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Es wird noch ein weiteres Verfahren zum Ansteuern mindestens einer LED beschrieben. Die mindestens eine LED ist zwischen einem Ausgangsanschluss und einem ersten oder einem zweiten Versorgungsanschluss, der eine Versorgungsspannung bzw. ein Bezugspotential bereitstellt, mit einer Induktivität in Reihe gekoppelt. Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst das Verfahren: Messen eines durch die mindestens eine LED fließenden Laststroms, wodurch ein Laststromsignal erzeugt wird, welches den Laststrom darstellt; abwechselndes Anlegen entweder der Versorgungsspannung oder des Bezugspotentials an den Ausgangsanschluss gemäß einem Ansteuerungssignal; Vergleichen des Laststromsignals mit einem Bezugssignal und Erzeugen des Ansteuerungssignals in Abhängigkeit von dem Vergleich; und Bestimmen eines Durchschnittslaststromsignals aus dem Laststromsignal; Erzeugen des Bezugssignals in Abhängigkeit von dem Durchschnittslaststromsignal und einem Bezugswert.
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Die Erfindung kann mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen und Beschreibungen besser verstanden werden. Die in den Figuren gezeigten Komponenten sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, stattdessen liegt die Betonung auf der Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine LED-Treiberschaltung in Tiefsetztopologie;
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2 Charakteristika von Strömen innerhalb der Schaltung von 1;
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3 eine LED-Stromregelungsschaltung in Tiefsetzkonfiguration;
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4 die Charakteristika des LED-Stroms und den Schaltzustand eines Schalters innerhalb der Schaltung von 3;
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5 drei (5a, 5b und 5c) verschiedene Beispiele einer LED-Treiberschaltung;
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6 eine weitere beispielhafte LED-Treiberschaltung mit einem verbesserten Einschaltverhalten;
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7 eine weitere LED-Treiberschaltung ähnlich dem Beispiel von 6;
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8 die LED-Treiberschaltung von 5c ausführlicher;
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9 ein Beispiel einer Regelung, die in den hier beschriebenen LED-Treiberschaltungen verwendet werden kann;
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10 eine weitere beispielhafte LED-Treiberschaltung mit einer Dimm-Funktion und
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11 eine beispielhafte Implementierung des Modulators, der in dem Beispiel von 10 verwendet wird.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile.
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Die folgende ausführliche Beschreibung ist nicht in einem eingrenzenden Sinne zu verstehen, und der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angehängten Ansprüche definiert. Es versteht sich, dass die Merkmale der hier beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nichts anderes angegeben ist.
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1 veranschaulicht einen LED-Treiber, der einen Abwärtswandler enthält. Bei dieser Treiberschaltung ist ein Schalter S1 zwischen einem ersten Versorgungsanschluss, der eine Versorgungsspannung VIN bereitstellt, und einem ersten Anschluss einer Induktivität L1 gekoppelt. Eine Diode D1 ist zwischen dem gemeinsamen Schaltkreisknoten des Schalters S1 und der Induktivität L1 und einem zweiten Versorgungsanschluss, an dem ein Bezugspotential GND bereitgestellt ist, gekoppelt. Die Anode der Diode D1 ist somit mit dem zweiten Versorgungsanschluss verbunden. Ein Ausgangskondensator C1 ist zwischen einem zweiten Anschluss der Induktivität L1 und dem zweiten Versorgungsanschluss, an dem das Bezugspotential GND bereitgestellt ist, gekoppelt. Eine Last, die eine LED oder eine Reihenschaltung aus mehreren LEDs (auch als „LED-Kette” bezeichnet) ist, ist parallel zum Kondensator C1 gekoppelt.
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Der Abwärtswandler ist ein Spannungsregler, der eine hohe Versorgungsspannung VIN in eine niedrigere Ausgangsspannung umsetzt. Dies wird durch schnelles Schalten des Induktivität-Kondensator(LC)-Netzwerks zwischen der Versorgungsspannung und Masse derart erreicht, dass abwechselnd entweder die Versorgungsspannung VIN oder das Bezugspotential (Masse) GND an das LC-Netzwerk angelegt wird. Während der Schalter S1 geschlossen ist, ist die Induktivität L1 mit der Eingangsspannung VIN verbunden, die LC-Schaltung befindet sich in ihrem „Ladezustand”, und ein ansteigender Induktivitätstromfluss IL fließt von dem ersten Versorgungsanschluss (an den die Eingangsspannung VIN angelegt ist) durch die Induktivität L1 zu der parallelen Schaltung, die aus dem Ausgangskondensator C1 und der/den LED(s) besteht.
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Während der Ladestrom IL durch die Induktivität L1 zu der/den LED(s) fließt, wird ein Teil der Energie in der Induktivität L1 als Magnetfeld gespeichert. Wenn der Schalter S1 (erneut) geöffnet wird, geht die Schaltung in ihren „Entladezustand” über und das Magnetfeld der Induktivität L1 bricht zusammen, während weiterhin der Stromfluss zu der/den LED(s) fließt. Wenn der Induktivitätstrom IL auf Null herabfällt, wird der Schalter S1 erneut geschlossen und der Lade-/Entladezyklus beginnt erneut. Das Ergebnis dieses Schaltzyklus ist ein Induktivitätstrom IL, der über den Verlauf eines Zyklus steigt und fällt, wie in 2 gezeigt ist.
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Die Funktion des Kondensators C1 in dem LC-Netzwerk ist es, den Induktivitätstrom IL zu einem Gleichstromfluss zu der/den LED(s) zu glätten. Wenn der Induktivitätstrom IL größer als der Laststrom ILED ist, wird der Laststrom ILED durch den Induktivitätstrom IL bereitgestellt und jeglicher Überstrom IC fließt in den Kondensator C1, wodurch dieser geladen wird. In 2 ist dies in dem Zeitdiagramm, welches den Kondensatorstrom IC über Zeit zeigt, als Phase B gezeigt. Wenn der Induktivitätstrom IL unter die Laststroanforderung fällt, fließt der Stromfluss IC in umgekehrter Richtung durch den Kondensator C1 und der Kondensatorstrom IC unterstützt den Induktivitätstrom IL, um den Unterschied zwischen dem Induktivitätstrom IL und dem benötigten Laststrom ILED auszugleichen. In 2 ist dies in dem Zeitdiagramm, welches den Kondensatorstrom IC veranschaulicht, als Phase A gezeigt.
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Eine Rückkopplungsschaltung ist gewöhnlich so implementiert, dass sie den Ausgangsstrom (d. h. den Laststrom iLED) regelt, der durch den Schaltwandler zu der Last geführt wird. Eine derartige Rückkopplungsschaltung überwacht den Laststrom ILED und vergleicht ihn mit einem stabilen Bezug. Auf der Basis des Ergebnisses des Vergleiches stellt die Schaltung das Tastverhältnis des Schaltbetriebs ein, um jegliche Diskrepanzen zu kompensieren. Die Rückkopplungsschaltung kompensiert alle Schwankungen der sich aus Komponenten- oder Zeittoleranzen ergebenden Lastspannung und stellt das Tastverhältnis ein, um Änderungen der Eingangsspannung VIN zu kompensieren, um den Laststrom ILED auf seinem gewünschten Wert zu halten.
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Ein Konzept des Schaltenergieversorgungsentwurfs ist die Idee, zwischen nicht-lückendem und lückendem Induktivitätstrom IL zu unterscheiden. In einem Betriebsmodus, der gewöhnlich als „nicht-kontinuierlicher Strommodus” (kurz DCM – Discontinuous Current Mode) bezeichnet wird, fällt der Induktivitätstrom IL wie oben beschrieben am Ende jedes Entladezyklus auf null und bleibt für eine endliche Zeitdauer auf null. In einem anderen Betriebsmodus, der gewöhnlich als „kontinuierlicher Strommodus” (kurz CCM – Continuous Current Mode) bezeichnet wird, fällt der Induktivitätstrom IL jedoch nicht auf null und stattdessen behält die Induktivität L1 über den Schaltzyklus hinweg eine Gleichstromkomponente bei.
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Der resultierende Induktivitätstrom IL hat in seiner Wellenform sowohl Wechselstrom- als auch Gleichstromkomponenten. Die Gleichstromkomponente gleicht dem Durchschnittsstromfluss IAVG während des Schaltzyklus und wird durch eine Bezugsspannung VDRIVE bestimmt. Die Wechselstromkomponente ist eine dreieckige Wellenform, die der Gleichstromkomponente IAVG überlagert ist und durch die Schalthandlung der Treiberschaltung (d. h. des Schaltwandlers) verursacht wird. Der Vorteil eines CCM-Betriebs ist es, dass der Induktivitätstrom IL kontinuierlich zu dem Ausgang fließt, was die Ladespeicherungsanforderungen des Kondensators C1 reduziert.
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Die in 3 gezeigte Treiberschaltung nutzt die Gleichstromkomponente IAVG des Induktivitätstroms IL in einem im CCM betriebenen Schaltwandler aus. Ein Schalttransistor T1, eine Induktivität L2, eine LED (die auch als eine LED-Kette repräsentierend betrachtet werden kann) und ein Strommesswiderstand R2 (Nebenschlusswiderstand) sind zwischen einem ersten Versorgungsanschluss, der das Versorgungspotential VBATT bereitstellt, und einem zweiten Versorgungsanschluss, der ein Bezugspotential GND (zum Beispiel Masse) bereitstellt, in Reihe gekoppelt. Der Laststrompfad (zum Beispiel Drain-Source-Strompfad bei einem MOSFET) des Transistors T1 ist zwischen dem ersten Versorgungsanschluss für das Versorgungspotential VBATT und der Induktivität L2 gekoppelt. Die Induktivität L2 ist zwischen dem Laststrompfad des Transistors T1 und der LED gekoppelt. Die LED ist mit ihrer Anode an die Induktivität L2 gekoppelt. Der Strommesswiderstand R2 ist zwischen der Kathode der LED und dem zweiten Versorgungsanschluss für das Bezugspotential GND gekoppelt.
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Eine Diode D2, die eine Schottky-Diode sein kann, ist zwischen dem gemeinsamen Schaltungsknoten des Transistors T1 und der Induktivität L2 und der zweiten Versorgung (GND) gekoppelt. Es sollte beachtet werden, dass die Diode D2 als eine Freilaufdiode betrieben wird und durch einen zweiten Transistor (z. B. MOSFET) ersetzt werden kann. In diesem Fall würden die beiden Transistoren eine Transistorhalbbrücke bilden. Ein Widerstand R1 ist zwischen dem gemeinsamen Schaltungsknoten der LED und des Strommesswiderstands R2 und einem ersten (nicht-invertierenden) Eingangsanschluss eines Komparators 1 gekoppelt. Ein weiterer Kondensator C2 ist zwischen dem gemeinsamen Schaltungsknoten des Komparators 1 und des Widerstands R1 und dem zweiten Versorgungsanschluss (GND) gekoppelt. Der Ausgang des Komparators 1 ist an den Steueranschluss (d. h. den Gate-Anschluss bei einem MOSFET) des Transistors T1 gekoppelt. An seinem zweiten (invertierenden) Eingangsanschluss empfängt der Komparator 1 die Bezugsspannung VDRIVE.
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Beim Analysieren der Schaltung von 3 ist ersichtlich, dass der Kondensator C2 und der Widerstand R1 einen RC-Tiefpassfilter bilden. Dieser Filter empfängt an seinem Eingang ein Spannungssignal iL·R2 (d. h. der Spannungsabfall am Strommesswiderstand R2), das mit dem Induktivitätstrom iL proportional ist, und stellt als Ausgangssignal eine Spannung VAVG bereit, die den Durchschnittsinduktivitätstrom iAVG darstellt. Der Komparator 1 vergleicht somit im Wesentlichen ein den Durchschnittsinduktivitätstrom repräsentierendes Signal mit einem entsprechenden Bezugssignal. Der Komparator 1 kann eine Hysterese aufweisen. Das heißt, der Komparator 1 leitet eine Abschaltung des Transistors T1 ein, wenn der Durchschnittsinduktivitätstrom über einen ersten Schwellenwert steigt, und leitet eine Einschaltung des Transistors T1 ein, wenn der Durchschnittsinduktivitätstrom unter einen zweiten Schwellenwert fällt, der niedriger als der erste Schwellenwert ist. In dieser Hinsicht wird der Komparator 1 als ein An-Aus-Controller betrieben.
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Abgesehen von der Rückkopplungsschaltung (einschließlich Widerstand R1, Kondensator C2, Komparator 1) und dem Strommesswiderstand R2, ist die Schaltung von 3 im Wesentlichen die gleiche wie im vorherigen Beispiel in 1. Der Ausgangskondensator C1 (siehe 1) wird jedoch in dem Beispiel von 3 nicht benötigt. Die in 3 veranschaulichte Abwärtswandlerschaltung hat somit einen ähnlichen Lade-/Entladezyklus wie der Abwärtswandler von 1. Der Ladezustand des Schaltzyklus wird durch Anschalten des Transistors T1 initiiert. Dies führt zu einem ansteigenden Stromfluss von dem Versorgungsanschluss (VBATT) durch den Transistor T1, die Induktivität L2, die LED und den Nebenschlusswiderstand R2. Wenn die Spannung am Kondensator C2, (der den Durchschnittsinduktivitätstrom repräsentiert) die Bezugsspannung VDRIVE, die dem Komparator 1 zugeführt wird, überschreitet, schaltet der Komparator 1 den Transistor T1 aus, womit der Entladezustand der Schaltung initiiert wird.
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In dem Entladezustand fließt Strom durch die Freilaufdiode D2, die Induktivität L2 und den Widerstand R2. Der Induktivitätstrom IL verringert sich, bis die Spannung am Kondensator C2 (die den Durchschnittsinduktivitätstrom repräsentiert) unter die Bezugsspannung VDRIVE fällt. Als Folge wird der Transistor T1 erneut angeschaltet und der nächste Zyklus beginnt. Der resultierende Stromfluss ILED durch die LED und die Induktivität ist ein Gleichstrompegel IAVG, dem ein kleiner dreieckiger DC-„Rippel”-Strom überlagert ist, der mit dem Lade-/Entladezyklus synchron ist. Diese Situation ist in 4 gezeigt. Die Wechselstromkomponente des Stroms ILED um seinen Mittelwert IAVG ist allen bekannten Schaltreglern gemein.
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4 zeigt den Laststrom ILED durch die LED (der gleich dem Induktivitätstrom ist) und die resultierenden Schaltzustände des Transistors T1. Obgleich eine Rückkopplungsschaltung, die den Durchschnittslaststrom IAVG regelt, bereitgestellt ist, ist der Laststrom ILED dennoch für verschiedene Versorgungsspannungen VBATT sowie für verschiedene Induktivitäten der Induktivität L2 und verschiedene Durchlassspannungen der LED verschieden. Dies ist hauptsächlich auf die Verzögerung, die zwischen einem Übergang (zum Beispiel von einem niedrigen Pegel auf einen hohen Pegel oder umgekehrt) in dem Komparatorausgangssignal und dem tatsächlichen Schaltbetrieb des Transistors T1 stattfindet, zurückzuführen. Während dieser Verzögerungszeit findet ein transientes Überschwingen des Induktivitätstroms statt. Das heißt, der Spitzenpegel der Wechselstromkomponente des Induktivitätstroms ist höher als er wäre, wenn die Verzögerung null wäre. Je höher die an die Induktivität angelegte Spannung, desto höher das Überschwingen für eine jeweilige Verzögerungszeit. Ähnlich gilt, je niedriger die Induktivität, desto höher das Überschwingen für eine gegebene Verzögerungszeit. Da die Verzögerungszeiten für die Aktivierung und Deaktivierung des Transistors T1 nicht gleich sind, ist das Überschwingen für die obere Spitze des Induktivitätstroms höher, und somit ist der Durchschnittswert des Induktivitätstroms für verschiedene Induktivitätwerte sowie für verschiedene Versorgungsspannungen VBATT unterschiedlich. Ein schwankender Durchschnittsinduktivitätstrom kann als Schwankung der Helligkeit der LED wahrgenommen werden. Das heißt, die Helligkeit der LED hängt auf ungewünschte Art von der Versorgungsspannung ab. Die Rückkopplungsschaltung der LED-Treiberschaltung von 3 kann diesen Effekt nicht kompensieren, und somit geht eine Schwankung der Versorgungsspannung VBATT mit einer entsprechenden Helligkeitsschwankung Hand in Hand. Aus dem gleichen Grund wird die Helligkeit der LED für verschiedene Induktivitätswerte der Induktivität L2 und für verschiedene Durchlassspannungen der LED(s) nicht konstant sein.
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5 veranschaulicht einige beispielhafte Schaltungen, die den oben erwähnten ungewünschten Effekt kompensieren können. 5a veranschaulicht eine erste beispielhafte Schaltung, die den Mittelwert IAVG des LED-Stroms ILED konstant hält oder die Helligkeitsschwankungen, die auf Schwankungen der Versorgungsspannung VBATT zurückzuführen sind, zumindest wesentlich reduziert.
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Die Schaltung von 5a ist ähnlich der Schaltung von 3. In dem Beispiel von 3 ist der Halbleiterschalter 6 jedoch ein Low-Side-Schalter, während der Transistor T1 ein High-Side-Schalter ist. In dem vorliegenden Beispiel ist der Low-Side-Schalter 6 mit der Induktivität L2 und der LED (die eine einzige LED oder eine LED-Kette mit einer beliebigen geeigneten Zahl von LEDs präsentieren kann) in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung von Schalter 6, LED und Induktivität L2 ist zwischen einem ersten Versorgungsanschluss, der mit der Versorgungsspannung VBATT (zum Beispiel der Batteriespannung einer Autobatterie) versehen ist, und einem zweiten Versorgungsanschluss, der auf einem Bezugspotential GND (zum Beispiel Masse) liegt, gekoppelt. Die Reihenfolge der Induktivität L2 und der LED kann umgekehrt werden. Eine Strommessschaltung 3 kann derart an die Serienschaltung (die aus Schalter 6, LED und Induktivität L2 besteht) gekoppelt werden, dass sie den Laststrom iLED, der der LED zugeführt wird, misst. In der vorliegenden Konfiguration sind der Laststrom iLED und der Induktivitätstrom iL gleich. Die Strommessschaltung 3 erzeugt ein Laststromsignal SIL, welches den Laststrom iL repräsentiert. Viele geeignete Strommessschaltungen sind in der Technik bekannt, und später wird in Bezug auf 5c eine beispielhafte Strommessschaltung erklärt. Der Halbleiterschalter 6 kann an- und ausgeschaltet werden, indem ein geeignetes Ansteuerungssignal SOUT an ein jeweiliges Steuersignal des Schalters 6 angelegt wird. Wird ein MOSFET als Halbleiterschalter verwendet, kann das Ansteuerungssignal SOUT ein Gate-Strom oder eine Gate-Schaltung sein, die ausreicht, den Schalter 6 zu aktivieren (anzuschalten) oder zu deaktivieren (auszuschalten).
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Das Ansteuerungssignal wird von einem Komparator 2 (ähnlich dem Beispiel von 3) erzeugt, dem das Laststromsignal SIL und ein Bezugssignal SREF zugeführt werden. Der Komparator 2 hat eine Hysterese und erzeugt ein Hochpegelausgangssignal SOUT (zum Aktivieren des Schalters 6), wenn der Unterschied SREF – SIL einen ersten Schwellenwert überschreitet. Analog dazu erzeugt er ein Niedrigpegelausgangssignal SOUT (zum Deaktivieren der Schalters 6), wenn der Unterschied SREF – SISL unter einen zweiten Schwellenwert fällt. Die zwei Schwellenwerte sind in der Regel gleicher Größe, haben aber entgegengesetzte Vorzeichen. In einem idealen Fall (ohne irgendwelche Ausbreitungsverzögerungen wie oben besprochen) variiert der eigentliche Laststrom ILED um einen durchschnittlichen Strom IAVG, der VREF entspricht. Die überlagerte Wechselstromkomponente (auch als „Rippelstrom” bezeichnet) hat eine im Wesentlichen dreieckige Wellenform und eine Spitze-Spitze-Amplitude, die von der Hysterese des Komparators 2 abhängt. Wie oben ausgeführt, kann die Verzögerung zwischen einem Übergang des Ansteuerungssignals SOUT und dem entsprechenden Schaltbetrieb des Schalters 6 zu einem systematischen Fehler führen, der zu einer positiven Abweichung Δi des tatsächlichen Durchschnittslaststroms IAVG = IREF + ΔI führt, wobei IREF der „ideale” Durchschnittslaststrom ist, der dem Bezugssignal SREF entspricht, und die Abweichung ΔI unter anderem von der Versorgungsspannung VBATT abhängt. Im Allgemeinen ist der Komparator 2 Teil einer ersten Rückkopplungsschaltung CL1, wobei der Komparator 2 im Wesentlichen einen An-Aus-Controller implementiert, um den Laststrom iL zu regeln. Das Bezugssignal ist der Bezugseingang (Sollwert) für den An-Aus-Controller der ersten Rückkopplungsschaltung CL1.
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Um den nachteiligen Effekt der oben erwähnten Verzögerungszeiten zu kompensieren, ist eine zweite Rückkopplungsschaltung CL2 (Regelkreis) bereitgestellt. Die zweite Rückkopplungsschaltung empfängt als Eingangssignal das Laststromsignal SIL und erzeugt das Bezugssignal SREF für die erste Rückkopplungsschaltung CL1. Gemäß dem durch die zweite Rückkopplungsschaltung CL2 implementierten Regelungsgesetz repräsentiert das Bezugssignal SREF den Unterschied zwischen einem Durchschnittslaststromwert IAVG und einem voreingestellten Konstantwert. Eine beispielhafte Implementierung der zweiten Rückkopplungsschaltung wird später mit Bezug auf 5c besprochen.
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Der Betrieb der zweiten Rückkopplungsschaltung CL2 und ihr Effekt kann wie folgt zusammengefasst werden. Wenn sich der tatsächliche Durchschnitt IAVG des Laststroms iLED als Reaktion auf eine Änderung der Versorgungsspannung VBATT ändert (aufgrund des oben erklärten nachteiligen Effekts der Verzögerungszeiten), wirkt die zweite Rückkopplungsschleife CL2 dieser Änderung des Durchschnittslaststroms IAVG durch Einstellen des Bezugssignals SREF (das heißt des Sollwerts) für die erste Rückkopplungsschaltung entgegen. Wenn der Durchschnittslaststrom anfängt, als Reaktion auf eine ansteigende Versorgungsspannung VBATT anzusteigen, reduziert die zweite Rückkopplungsschaltung CL2 das Bezugssignal SREF (das heißt den Sollwert), das der ersten Rückkopplungsschaltung CL1 zugeführt wird, womit der Effekt der ansteigenden Versorgungsspannung VBATT kompensiert wird. Ähnlich wird der Durchschnittslaststrom IAVG und somit die Helligkeit der LED(s) für verschiedene Induktivitätswerte der Induktivität L2 und für verschiedene Durchlassspannungen der LED(s) konstant gehalten werden.
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Das Beispiel von 5b ist fast identisch mit der in 5a gezeigten Schaltung. Der einzige Unterschied ist der, dass der Leistungshalbleiterschalter 6 ein High-Side-Schalter statt ein Low-Side-Schalter (wie er es in 5a ist) ist. In diesem Fall kann die Strommessung auf der Niederspannungsseite stattfinden. Die Freilaufdiode D3 ist zwischen dem gemeinsamen Schaltungsknoten der Induktivität L2 und des Schalters 6 und dem Bezugspotential GND (und nicht wie in 5a an das Versorgungspotential VBATT) gekoppelt. Der Betrieb der LED-Treiberschaltung von 5b ist der gleiche wie der Betrieb der LED-Treiberschaltung von 5a.
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5c veranschaulicht im Wesentlichen die gleiche LED-Treiberschaltung, die in 5a gezeigt ist. Die zweite Rückkopplungsschaltung CL2 und die Strommessschaltung 3 sind jedoch ausführlicher veranschaulicht. Ähnlich den vorhergehenden Beispielen ist der Low-Side-Schalter 6 mit der Induktivität L2 und der LED, die durch eine LED-Kette ersetzt sein kann, in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung von Schalter 6, LED und Induktivität L2 ist zwischen einem ersten Versorgungsanschluss (Versorgungsspannung VBATT) und einem zweiten Versorgungsanschluss (zum Beispiel Masse GND) gekoppelt. Die Reihenfolge der Induktivität L2 und LED kann umgekehrt sein. Die Strommessschaltung 3 enthält einen Nebenschlusswiderstand R3, der mit der LED derart in Reihe gekoppelt ist, dass der Laststrom iLED auch den Nebenschlusswiderstand durchläuft und der Spannungsabfall R3·ILED am Nebenschlusswiderstand R3 proportional zum Laststrom ILED oder dem Induktivitätstrom IL = ILED ist. Der Spannungsabfall R3·ILED am Nebenschlusswiderstand R3 kann einem Verstärker AMP zugeführt werden, der den Spannungsabfall verstärkt und ein jeweiliges Laststromsignal SIL erzeugt, das den Laststrom iL repräsentiert. Der Verstärker AMP kann zum Beispiel ein einfacher Differenzialverstärker, ein Operationsverstärker, ein Gegenwirkleitwertverstärker oder eine beliebige andere geeignete Verstärkungsschaltung sein. Das Stromsignal SIL kann je nach der tatsächlichen Implementierung ein Spannungssignal oder alternativ ein Stromsignal sein. Der Halbleiterschalter 6 kann an- und ausgeschaltet werden, indem an ein jeweiliges Steuersignal des Schalters 6 ein geeignetes Ansteuerungssignal SOUT angelegt wird (zum Beispiel ein Gate-Signal bei Verwendung eines MOSFETs als Leistungshalbleiterschalter).
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Die erste Rückkopplungsschaltung empfängt als Eingangssignal das Laststromsignal SIL sowie das Bezugssignal SREF, das als ein Sollwert für den An-Aus-Controller, der durch den Komparator 2 wie oben erwähnt implementiert ist, angesehen werden kann. Der Komparator 2 empfängt das Bezugssignal SREF und das Laststromsignal SIL und erzeugt ein Ausgangssignal SOUT zum Ansteuern des Leistungshalbleiterschalters 6, wie oben mit Bezug auf 5a erklärt. Der Betrieb der ersten Rückkopplungsschaltung CL1 ist gänzlich der gleiche wie in dem Beispiel von 5a und wird darum hier nicht wiederholt. Die Wellenform des Laststroms iLED und der Schaltbetrieb des Schalters 6 entsprechen den in 4 veranschaulichten Zeitdiagrammen.
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Um den tatsächlichen Durchschnitt IAVG des Laststroms ILED auf einem konstanten Pegel zu halten, während sich die Versorgungsspannung VBATT (oder die temperaturabhängige Durchlassspannung der LED) ändert, regelt die zweite Rückkopplungsschaltung CL2 das Bezugssignal SREF und somit den Sollwert für die erste Rückkopplungsschaltung CL1. Wie oben erwähnt gewährleistet das durch die zweite Rückkopplungsschaltung CL2 implementierte Regelungsgesetz, dass das Bezugssignal SREF abhängig vom Unterschied zwischen einem Durchschnittslaststromwert IAVG und einem voreingestellten Konstantwert erzeugt wird. Zu diesem Zweck enthält die zweite Rückkopplungsschaltung CL2 eine Schaltung des Filters 4, die als Eingabesignal das Laststromsignal SIL empfängt und als Ausgangssignal ein gefiltertes Signal VAVG bereitstellt, das als ein Signal betrachtet werden kann, das den (zum Beispiel beweglichen) Durchschnittslaststrom IAVG repräsentiert. Bei dem Filter kann es sich zum Beispiel um einen passiven RC-Filter aus einem Widerstand und einem Kondensator handeln. Alternativ dazu kann das Laststromsignal SIL mittels eines geeigneten Analog-Digital-Wandlers digitalisiert werden. In diesem Fall kann der Filter 4 als Digitalfilter mit Verwendung eines Digitalsignalprozessors und geeigneter Software implementiert sein. Nicht nur der Filter 4, sondern die gesamte zweite Rückkopplungsschaltung CL2 (und sogar Teile der ersten Rückkopplungsschaltung CL1) können mittels eines geeignet programmierten Signalprozessors digital implementiert werden. In diesem Fall können die Einheiten, die hier als Schaltungen bezeichnet werden, als softwareimplementierte Funktionseinheiten betrachtet werden.
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Das Filterausgangssignal VAVG (das den Durchschnittslaststrom IAVG repräsentiert) sowie ein stabilisierter Bezugswert (zum Beispiel eine stabilisierte Bezugsspannung oder in digitalen Implementierungen ein Registerwert) werden dem Regler 5 zugeführt. Der Regler 5 kann in einem einfachen Beispiel eine P-Regelung sein. Der Regler 5 kann jedoch auch ein PI-, PID- oder PT1-Regler oder etwas ähnliches sein. Im Allgemeinen kann die Regelung 5 dazu konfiguriert sein, einen Offset VSTAB – VAVG zwischen Durchschnittslaststrom (der durch Signal VAVG repräsentiert ist) und Bezugswert VSTAB zu minimieren oder zumindest zu reduzieren. Regler mit einer I-Komponente, wie z. B. ein PI-Regler, können einen stationären Regelungsoffset von null erreichen.
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Der Regler 5 kann einen Operationsverstärker 51 enthalten. Je nach Typ (P, PI, PIC, PT1 etc.) des verwendeten Reglers werden verschiedene Komponenten benötigt, um den Regler 5 einzurichten. Im Fall eines PT1-Reglers empfängt zum Beispiel der Operationsverstärker 51 den Bezugswert VSTAB an seinem invertierenden Eingangsanschluss. Ein erster Widerstand R11 und eine Parallelschaltung eines zweiten Widerstands R12 und ein Kondensator C4 sind zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 51 in Reihe gekoppelt. 9 zeigt ein Beispiel eines solchen Reglers 5. In einigen Ausführungsbeispielen kann es von Vorteil sein, einen PT1-Regler zu verwenden. In anderen Beispielen können jedoch andere Typen von Regelungen 5 verwendet werden. In solchen Fällen werden andere Komponenten in unterschiedlichen Konfigurationen benötigt, um die jeweiligen Regelungstypen zu implementieren.
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Der Offset VSTAB – VAVG kann innerhalb des Reglers 5 verstärkt und modifiziert werden, und das Reglerausgangssignal kann entweder direkt der ersten Rückkopplungsschaltung CL1 als Bezugssignal SREF zugeführt werden oder durch eine Pegeleinstellschaltung 7 weiter modifiziert werden, bevor es der ersten Rückkopplungsschaltung CL1 zugeführt wird. Die Schaltung 7 kann dazu konfiguriert sein, das Bezugssignal SREF, das für die erste Rückkopplungsschaltung CL1 der Sollwert ist, d. h. für den An-Aus-Controller 2, zu modifizieren. Die wahlweise Schaltung 7 kann einfach eine Art Pegelversatz durchführen. Darüberhinaus oder zusätzlich kann die Schaltung 7 das Bezugssignal SREF regelmäßig ausblenden (das heißt das Bezugssignal SREF für eine bestimmte Zeitperiode auf null setzen), um eine Dimm-Funktion bereitzustellen. Beispiele der Schaltung 7 sowie der Dimmfähigkeiten der vorliegenden LED-Treiber werden im Folgenden diskutiert.
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6 veranschaulicht eine andere beispielhafte Schaltung zur Beibehaltung des Durchschnittslaststroms IAVG auf einem gewünschten Pegel unabhängig von der Versorgungsspannung VBATT. Die Schaltung entspricht allgemein den in 5a und 5c gezeigten Schaltungen. Der Filter 4 (Mittelungsschaltung) ist jedoch ausführlicher veranschaulicht. Der Filter 4 kann zum Beispiel einen passiven RC-Tiefpassfilter erster Ordnung enthalten, der durch einen Widerstand R5 und einen Kondensator C3 gebildet ist. Andere Filtertypen (zum Beispiel Filter höherer Ordnung, Digitalfilter) können auch anwendbar sein.
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Um ungewünschte Übergangseffekte beim Starten (nach Anschalten der Schaltung) einer Initialisierungsschaltung 8 zu vermeiden, kann eine Initialisierungsschaltung 8 dazu verwendet werden, den Filterausgang des Filters 4 auf einen Anfangswert auf dem oder nahe dem gewünschten Wert, der durch den stabilisierten Bezugswert VSTAB gegeben ist, einzustellen. In der in dem Beispiel von 6 implementierten einfachen (und somit sehr kostengünstigen und für preisgünstige Anwendungen geeigneten) Implementierung führt die Initialisierungsschaltung 8 schnell eine Vorladung des Kondensators C3, der mit dem Filterausgang verbunden ist, direkt nach Anschalten der LED-Treiberschaltung durch. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die stabilisierte Bezugsspannung VSTAB zeitweilig über einen Halbleiterschalter T2 mit dem Kondensator verbunden wird. Der Schalter T2 kann für eine definierte (zum Beispiel festgelegte) Zeitperiode geschlossen sein. Schließen und erneutes Öffnen des Schalters können mittels einer Zeitgeberschaltung 81 gesteuert werden, die zum Beispiel eine Zeitgeberschaltung (zum Beispiel ein Monoflop) sein kann, die als Reaktion auf ein Anschaltsignal einen Puls mit definierter Länge erzeugt.
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In dem in 6 gezeigten Beispiel ist ein erster Anschluss des Halbleiterschalters T2 (zum Beispiel ein MOSFET oder ein BJT) mit dem gemeinsamen Schaltungsknoten zwischen dem Widerstand R5 und dem Kondensator C3 über einen weiteren Widerstand R6 (optional) verbunden. Ein zweiter Anschluss des Halbleiterschalters T2 ist mit der Spannungsquelle, die den stabilisierten Spannungswert VSTAB bereitstellt, gekoppelt. Es kann jedoch auch ein beliebiger anderer Spannungswert als Anfangswert verwendet werden, zum Beispiel 90 Prozent von VSTAB. Ein Regelungseingang (im Fall eines MOSFET; das Gate, im Fall eines BJT; der Basisanschluss) des Schalters T2 ist mit der oben erwähnten Zeitgeberschaltung 81 verbunden. Falls die Zeitgebereinheit als Monoflop implementiert ist, erhält sie für eine bestimmte Zeit an der Kapazität C3 eine definierte Spannung aufrecht, wodurch der Filterausgang auf einen gewünschten Anfangswert initialisiert wird. Die Zeitverzögerungseinheit 81 kann zum Beispiel durch ein Anschaltrückstellsignal ausgelöst werden. Dieses Anschaltrücksetzsignal kann einmal, beim Anschalten des Systems, zur Verfügung stehen.
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Das in 7 veranschaulichte Beispiel ist dem vorhergehenden Beispiel von 6 sehr ähnlich. Der einzige Unterschied ist die Implementierung der Zeitgeberschaltung 81. In dem vorliegenden Beispiel reagiert die Zeitgeberschaltung 81 auch auf das Ansteuerungssignal SOUT, das die Aktivierung und Deaktivierung des Leistungshalbleiterschalters 6 auslöst. In dem vorliegenden Beispiel löst die Zeitgeberschaltung als Reaktion auf eine Anschaltung des Leistungshalbleiterschalters 6 eine Reinitialisierung (zum Beispiel durch Aktivieren des Schalters T2 für eine festgelegte Zeitperiode) aus, aber nur, wenn der Schalter 6 für eine definierte Zeit aus war. Das heißt, eine Reinitialisierung wird nicht während des „normalen” Schaltbetriebs des Schalters 6 ausgelöst. Wenn jedoch der Schaltbetrieb des Leistungshalbleiterschalters 6 zeitweilig für eine definierte Minimalzeit angehalten wird (zum Beispiel für Dimm-Zwecke, siehe Beschreibung von 10), wird bei Wiederaufnahme des normalen Schaltbetriebs des Schalters 6 eine Reinitialisierung ausgelöst.
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Die in 6 und 7 gezeigten LED-Treiberschaltungen sind dazu konfiguriert, die Spannung am Kondensator C3 des Filters 4 – und somit das Filterausgangssignal VAVG – auf einen Wert, der dem stabilisierten Bezugswert VSTAB entspricht, zu klemmen. Im Allgemeinen ist eine solche Funktion nicht für eine LEDs ansteuernde Schaltung nötig, kann jedoch während des Startens der Schaltung und während eines Dimm-Betriebs, während dem der Laststrom gemäß einem vordefinierten Modulationsschema (zum Beispiel Pulsweitenmodulation, Sigma-Delta-Modulation oder dergleichen) wiederholt an- und ausgeschaltet wird, nützlich sein.
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In 8 ist eine weitere beispielhafte LED-Treiberschaltung detaillierter dargestellt. Wie in den vorhergehenden Beispielen ist der Filter 4 ein passiver RC-Filter, der den Widerstand R5 und den Kondensator C3 enthält. Der Regler 5 enthält einen Operationsverstärker 51. An seinem invertierenden Eingangsanschluss empfängt der Operationsverstärker 51 den stabilisierten Bezugsspannungswert VSTAB. Zwischen den nicht-invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 51 und den Eingangsanschluss des Reglers 5 ist ein Widerstand R7 gekoppelt, mit dem er an den Filter 4 gekoppelt ist. Ein weiterer Widerstand R8 ist zwischen den nicht-invertierenden Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 51 gekoppelt.
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In dem vorliegenden Beispiel arbeitet die Pegeleinstellschaltung 7 ähnlich wie ein Pegelumleger. Sie enthält einen Transistor T3. Der Transistor T3 ist mit dem Ausgangsanschluss des Reglers 5 gekoppelt. Der Laststrompfad des Transistors T3 ist zwischen dem Bezugspotential GND und einem Widerstand R9 geschaltet. Ein weiterer Widerstand R10 ist zwischen dem Widerstand R9 und einem Anschluss für ein positives Potential Vs gekoppelt. Das Bezugssignal SREF, das der ersten Rückkopplungsschaltung zugeführt wird, wird an dem gemeinsamen Schaltungsknoten zwischen den zwei Widerständen R9 und R10 abgegriffen.
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Das Beispiel von 10 veranschaulicht eine LED-Treiberschaltung, die der Schaltung von 5c ähnlich ist. Das vorliegende Beispiel enthält jedoch zusätzlich eine Dimmfähigkeit. Zu diesem Zweck kann die Pegeleinstellschaltung 7 auf die gleiche Weise wie in 8 gezeigt implementiert werden. Wie mit Bezug auf 8 diskutiert, unterwirft die Pegeleinstellschaltung 7 das Bezugssignal SREF', das durch den Regler 5 (d. h. das Steuersignal) erzeugt wird, einem Pegelversatz, gemäß einer definierten Kennlinie, die in dem vorliegenden Beispiel von den Charakteristika des Transistors T3 und der Widerstände R10 und R9 abhängig ist. Die Pegeleinstellschaltung 7, wie sie in dem vorliegenden Beispiel veranschaulicht ist, kann als ein regelbarer Spannungsteiler angesehen werden, der eine Eingangsspannung Vs (die in dem Beispiel von 8 konstant ist und in dem vorliegenden Beispiel An-/Aus-moduliert wird) in eine Teilspannung VS·(R9 + RON)/(R9 + R10 + RON) aufteilt, wobei RON der An-Widerstand des Transistors T3 und somit eine Funktion der Bezugsspannung SREF' ist, die durch den Regler 5 bereitgestellt und dem Steueranschluss (d. h. dem Gate-Anschluss im Fall eines MOSFETs) des Transistors zugeführt wird. Die mittlere Abgreifung des Spannungsteilers ist der Ausgangsschaltungsknoten der Pegeleinstellschaltung 7, an dem das „pegeleingestellte” Bezugssignal SREF bereitgestellt wird, das eine bijektive Funktion des Steuersignals SREF' (d. h. eine Eins-zu-Eins-Zuordnung) ist, das von dem Regler 5 bereitgestellt wird. Die Funktion hängt von den Kennlinien und den Widerstandswerten der Widerstände R9 und R10 ab.
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Allgemein stellt die von der Schaltung 7 bereitgestellte Funktion den Pegel des Steuersignals SREF', das von dem Regler 5 bereitgestellt wird, gemäß einer Kennlinie ein. Der in 10 gezeigte regelbare Spannungsteiler muss als ein einfaches Beispiel angesehen werden. Ein Fachmann wird keine Schwierigkeiten darin sehen, die gleiche oder ähnliche Funktion mittels eines Differenzschaltkreises (zum Beispiel Verstärkerschaltungen oder dergleichen) zu erreichen. In einer digitalen Implementierung kann die Kennlinie durch in einem Speicher gespeicherte Parameter oder eine Interpolation in einer Nachschlagetabelle definiert sein. Für kostengünstigere Anwendungen kann eine digitale Lösung jedoch zu komplex und teuer sein.
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Eine Dimmfähigkeit kann leicht durch An-/Aus-Modulieren der Eingangsspannung VS, die der Pegeleinstellschaltung 7 zugeführt wird, in Übereinstimmung mit dem gewünschten Tastverhältnis (normalerweise in Prozent ausgedrückt) implementiert werden. Zum Beispiel ist bei einem Tastverhältnis von 30 Prozent das Bezugssignal SREF für durchschnittlich 70 Prozent der Zeit aus (zum Beispiel auf Massepotential, 0 V). Zu diesem Zweck ist ein Modulator 8 bereitgestellt, der das Eingangssignal Vs für die Pegeleinstellschaltung erzeugt. Jegliche Modulation kann anwendbar sein, zum Beispiel Pulsweitenmodulation, Pulsfrequenzmodulation, Sigma-Delta-Modulation (auch als Impulsdichtemodulation bezeichnet), verschiedene Zufallsmodulationsschemen etc. Man beachte, dass die Modulation des Bezugssignals SREF auch auf eine Art erreicht werden kann, die sich von dem in 7 veranschaulichten Beispiel unterscheidet. Einem Fachmann wird es nicht schwer fallen, mittels anderer Schaltkreise die gleiche oder eine ähnliche Funktion zu erreichen. Zum Beispiel kann der Komparatoreingang, der das Bezugssignal SREF empfängt, mittels eines Schalters, der gemäß einem modulierten Signal (zum Beispiel von dem Modulator 8 bereitgestellt) aktiviert und deaktiviert wird und in dem das Eingangssignal VS konstant ist, mit Massepotential verbunden sein.
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Man beachte, dass die in 7 gezeigte Filterinitialisierung nützlich in dem vorliegenden Beispiel angewendet werden kann. Verglichen mit der Schaltfrequenz des Leistungshalbleiterschalters 6 (zum Beispiel im Einhundert-Kilohertz-Bereich) ist die Modulationsfrequenz des Modulators 8 gewöhnlich viel kleiner (zum Beispiel bis zu 10 Kilohertz). Das heißt, wenn das Dimmen aktiv ist, kann die Aus-Phase vergleichbar lang sein, und daraufhin fällt das Durchschnittslaststromsignal VAVG, das von dem Filter 4 bereitgestellt wird. Der von dem Filter bereitgestellte interessierende Wert ist jedoch der Durchschnittslaststrom während der An-Phase des Laststroms. Um vorübergehende Effekte, wie die während einer Anschaltphase der Schaltung gesehenen, zu vermeiden, wird der Filterausgang jedes Mal, wenn der Schalter 6 nach einer „längeren” Periode (d. h. länger als die Aus-Periode während eines „normalen” Schaltbetriebs, wenn das Bezugssignal SREF nicht von dem Modulator 8 ausgeblendet wird) angeschaltet wird, auf einen Wert nahe des gewünschten Durchschnittslaststromsignalpegels VAVG initialisiert. Zu diesem Zweck ignoriert die Initialisierungseinheit 81 (siehe 7) ansteigende Flanken in dem Ansteuerungssignal SOUT, sofern es nicht für eine gegebene Mindest-Aus-Zeit niedrig war. Diese Mindest-Aus-Zeit kann zu der Zeitkonstante des Filters 4 passend gewählt werden.
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In 11 wird ein Pulsweitenmodulationsgenerator, der als Modulator 8 in Verbindung mit dem in 10 veranschaulichten Beispiel verwendet werden kann, veranschaulicht. Bei bekannten LED-Treibern kann die dem Komparator 2 (siehe zum Beispiel 5a) zugeführte Bezugsspannung geändert werden, um den LED-Strom ILED zu dimmen. Dieses Verfahren ist jedoch häufig unpräzise und temperaturabhängig.
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Die in 11 gezeigte PWM-Modulatorschaltung enthält einen Sägezahngenerator ST und einen Komparator COMP2. Der Sägezahngenerator ST enthält einen ersten Stromspiegel CM1, einen zweiten Stromspiegel CM2 und einen Komparator COMP1. Zwischen dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Komparators COMP1 ist ein Kondensator C5 gekoppelt. Ferner ist der Kondensator C5 derart an den ersten Stromspiegel CM1 gekoppelt, dass er mit einem Konstantstrom i1 geladen wird, der mit dem Stromspiegelkonstanteingangsstrom i0 proportional ist (im vorliegenden Beispiel i1 = i0/10). Zwischen dem nicht-invertierenden Komparatoreingang des Komparators COMP1 und einem Anschluss für das Bezugspotential GND ist ein Transistor T4 gekoppelt. Der Steueranschluss (zum Beispiel das Gate) des Transistors T4 ist an den Ausgang des Komparators COMP1 gekoppelt. Somit wird der Kondensator C5 über den Transistor T4 entladen, wenn der Komparatorausgang auf einen hohen Pegel schaltet.
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Zwischen dem zweiten Stromspiegel CM2 und dem Anschluss für das Bezugspotential GND ist ein Widerstand R13 gekoppelt. Der invertierende Eingangsanschluss des Komparators COMP1 ist mit dem gemeinsamen Schaltungsknoten des Stromspiegels CM2 und des Widerstands R13 verbunden.
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Parallel mit dem Widerstand R13 ist eine Reihenschaltung aus einem weiteren Widerstand R14 und einem weiteren Transistor T5 gekoppelt. Der Transistor T5 schaltet sich gemäß dem Komparatorausgangssignal des Komparators COMP1 an und aus. Während der Transistor T5 aus ist, fließt der Konstantstrom i2 (in dem vorliegenden Beispiel i2 = i0·3), der von dem zweiten Stromspiegel CM2 bereitgestellt wird, durch den Widerstand R13, wodurch an dem Widerstand R13 ein Spannungsabfall V2 = i2·R13 erzeugt wird. Somit schaltet sich der Komparator COMP1 von einem niedrigen Pegel auf einen hohen Pegel, wenn die (linear ansteigende) Spannung V1 am Kondensator die Schwellenspannung V2 erreicht. Der nicht-invertierende Eingangsanschluss des Komparators COMP1 stellt das Ausgangssignal (Sägezahnsignal) des Sägezahngenerators, das der Spannung V1 am Kondensator C5 entspricht, bereit.
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Eine extern bereitgestellte Analogspannung wird mittels dieses zweiten Komparators COMP2 in ein entsprechendes PWM-Signal VS umgewandelt. Ein Konstantstrom i0 wird mittels des ersten Stromspiegels CM1 in einen Strom i1 umgewandelt. Dabei kann es sich zum Beispiel um einen High-Side-pMOS-Stromspiegel handeln. Der Bezugsstrom i0 kann zum Beispiel 10 μA sein. Wenn ein 1:10-Stromspiegel verwendet wird, ist der Stromwert von i1 ungefähr 1 μA. Der zweite Stromspiegel CM2 erzeugt einen zweiten Strom i2. Der zweite Stromspiegel-CM2 kann einen Strom i2 erzeugen, der zum Beispiel dreimal höher als der Konstantstrom i0 (i2 = 30 μA) ist. Dieser Strom i2 fließt dann durch den Widerstand R13, wodurch am Widerstand eine Spannung V2 erzeugt wird.
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Beide Transistoren T4, T5 sind nichtleitend (aus), wenn der Komparatorausgang des Komparators COMP1 niedrig ist. Die Kapazität C5 wird durch den Strom i1 während dieser Zeitperiode geladen. Wenn eine Spannung V1 an der Kapazität C5 die Spannung V2 überschreitet, wird der Komparator COMP1 aktiv und schaltet die zwei Transistoren T4, T5 an. Der Transistor T4 entlädt die Kapazität C5 abrupt auf den Wert von V2 (V2 = i2·R13·R14·(R13 + R14)), wenn der Transistor T5 den Widerstand R14 parallel zum Widerstand R13 anschließt. Die Spannung V2 fällt schneller als die Spannung V1, da die Kapazität C5 über den An-Widerstand des Transistors T4 entladen werden muss. Die Abschaltzeit kann durch das Länge-Breitenverhältnis des Transistors T4 definiert sein.
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Wenn die Kondensatorspannung V1 unter die Spannung V2 fällt, kehrt das Ausgangssignal des Komparators COMP1 auf einen niedrigen Pegel zurück, und die Transistoren T4, T5 werden wieder nichtleitend. Daraufhin wird eine Spannung V2 = i2·R13 erneut dem invertierenden Eingangsanschluss des Komparators COMP1 zugeführt, und das Laden der Kapazität C5 beginnt erneut.
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Innerhalb dieser Schaltung ist es möglich, den oberen Schwellenwert mittels des Widerstands R13 und den niedrigeren Schwellenwert mittels des Widerstands R14 (parallel zum Widerstand R13 gekoppelt) einzustellen.
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Der weitere Komparator COMP2 empfängt die Ausgangsspannung des Sägezahngenerators ST an einem ersten Eingangsanschluss und vergleicht sie mit einem Dimm-Signal SDIM (das heißt der Bezugsspannung VDIM im vorliegenden Beispiel), die dem zweiten Eingangsanschluss zugeführt wird. Der Komparatorausgang schaltet, wenn die Sägezahnspannung die Bezugsspannung VDIM erreicht. Das Tastverhältnis des PWM-Signals ist proportional zur Bezugsspannung VDIM. Alternativ kann das Bezugssignal SDIM ein An-/Aus-moduliertes Signal mit einem höheren An-Pegel als der Spitzenpegel des Sägezahnsignals sein. In diesem Fall wird das Dimm-Signal SDIM an den Ausgang des Komparators COMP2 weitergeleitet.
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Obwohl Ausführungsbeispiele und ihre Vorteile ausführlich beschrieben worden sind, versteht es sich, dass verschiedene Änderungen, Substitutionen und Veränderungen durchgeführt werden können, ohne vom Gedanken und Umfang der Erfindung, wie sie durch die angehängten Ansprüche definiert ist, abzuweichen. Angesichts dem obigen Bereich an Variationen und Anwendungen versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung nicht durch die vorangehende Beschreibung eingeschränkt ist, noch ist sie durch die begleitenden Zeichnungen eingeschränkt. Stattdessen ist die vorliegende Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche und ihre rechtlichen Äquivalente eingeschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Applikationsschrift AN874, „Buck Configuration High-Power LED Drive”, Microchip Technology, 2006 [0004]