LED KSQ mit hohem Kontrastverhältnis/fast dimming auf basis des LM3404 ICs

[Dominik W. (crispy)]

Hallo Liebe Community,

ich beschäftige mich weiter mit dem bau von Konstantstromquellen welche 
meine besonderen Anforderungen erfüllen können. Sie werden zum Betrieb 
einer Aquarienbeleuchtung benötigt welche aus etwa 70 High power leds 
(Cree XP-G, XM-L) besteht.

Ich beschreibe mein Problem im Anschluss umfänglich, wer nicht so viel 
lesen möchte, hier erstmal meine Hauptanliegen/Fragen als Überblick:
1.) Verständnisfrage zu der erweiterten Beschaltung des LM3404 mit 
externem MOSFET Shunt (Siehe sehr interessante Application Note 
http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?literatureNumber=snva342e&fileType=pdf)
2.) Auswahl der Transistoren, da die im Application Note angegebenen 
nicht einfach zu beziehen sind.

Die Anforderungen für die KSQ wären:
- Vin 48V (480Watt Netzteil schon vorhanden)
- min. 1000mA LED Strom
- Dimmung von 0-100% möglichst linear. Ich benötige wirklich eine 
Dimmung die von 0% an funktioniert und das ohne erkennbare Schritte.
- PWM Dimm Frequenz von mindestens 250hz, um so höher um so besser. 
12bit PWM Auflösung.
- Vout von 27V-47,6V, also von manchen LEDs werden maximal 14 in Reihe 
betrieben, bei anderen Farben (RGB) sind es jedoch nur 8 in Reihe. Die 
KSQ sollte beides abdecken können.

Ein erster Versuch mittels ZXDL1362 ist gescheitert, da das kleine SO23 
package zu viele Thermische Probleme mit sich brachte. Ich hab ca. 10 
von den Dingern gekillt... Das dimmverhalten war aber relativ gut, 
minimale helligkeit war bei 243hz pwm möglich. Aber ich würde eine 
höhere Frequenz bevorzugen, da ungewiss ist wie die Tiere im Aquarium 
darauf reagieren. Dauerbetrieb mit 8 LED an 48V Vin war nicht möglich => 
zerstörung des ZXDL

Neuer Ansatz auf basis des LM3404:
Auf der Suche nach einem alternativem Treiber IC bin ich über den 
LM3404(HV) gestolpert. Am liebsten wäre mir zwar ein Treiber mit 
externem switch, da ich diesen dann beliebig (über)dimensionieren 
könnte. Deswegen hatte ich mit dem PR 4101A LED Treiber von reichelt mal 
etwas experimentiert, da dieser einen Externen switch benutzt. 
Allerdings war das Dimmverhalten dank der Minimalen-On Zeit(Min. pulse 
duration of PWM) von 2us fuer meine Zwecke gänzlich unbrauchbar.

Dann bin ich auf das Application Note zum LM3404 
http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?literatureNumber=snva342e&fileType=pdf 
gestoßen. Dort wird, wie ich finde, eine sehr interessante Beschaltung 
genutzt um ein Fast dimming mit bis zu 25khz zu ermöglichen (siehe PDF 
auf Seite 15). Dementsprechend müssten - so hoffe ich zumindest - auch 
sehr kurze PWM Pulse umgesetzt werden können und somit meine 
Dimm-Anforderung erfüllt werden können.
Dies wird laut AN daruch erreicht, dass die Anstiegs- und Abfall-Zeiten 
des Vorwärtsstromes extrem minimiert werden. Die Anstiegszeit wird 
(verglichen mit dem Internen Dimm) von fast 8us auf extrem kurze 40ns 
gedrückt. Der LM3404 wird niemals deaktiviert, die Spule bleibt 
permanent geladen.

1.)
Ich habe lange über der Schaltung gesessen und gegrübelt wie das ganze 
funktioniert, denn ich will immer gerne Verstehen was da passiert, es 
ist ja ein Hobby welches Spaß macht. Übrigens, ich in Informatiker und 
kein Elektroniker; all mein Elektronikwissen ist autodidaktisch erlernt, 
ich bitte also um Nachsicht.

Also, im Grunde erstmal eine ganz normale Step-down Buck Schaltung 
(Welche ich glaube zu verstehen). Den Schaltungsteil aus Q1,R2 und R3 
kann man sich erstmal weg denken.
Die normale Freilaufdiode D1, die Spule L1 die LEDs und der SENSE 
Widerstand, das ganz normale Programm. Jetzt kommt der fuer mich neue 
und interessante Teil, der shunt MOSFET Q2( und seine Treiber Q31 und 
Q32). Er ist parallel zu den LEDs geschaltet und kann diese 
kurzschließen. Dieser wird mit dem PWM Dimm signal geschaltet. Ich bin 
mir unsicher ob ich die funktionsweise richtig verstehe. Mein erster 
Gedanke war, dass hier ja etwas kurzgeschlossen wird und quasi die 
Vorwärtsspannung von knapp 48V (bei 14LEDs) kurzgeschlossen wird -> 
bätsch.... Also meine frage: Was passiert da genau?

Nach längerem Grübeln kam ich auf meine Theorie:
Angenommen Q2 ist nicht leitend (PWM Dimm on): Die LEDs leuchten, der 
Strom wird auf den über Rsense eingestellten Wert geregelt (Frequenz 
irgendwas zwischen 300 und 700khz je nach Beschaltung). In meinem Fall 
0,2ohm => 1000mA Strom. Also alles "normal".
Wenn jetzt PWM Dimm off: Q2 ist leitend und schließt die LEDs kurz. 
Angenommen Q2 ist ein idealer Schalter, fällt an diesem keine Spannung 
ab. Die gesamte Spannung muss an Rsense abfallen. WOW dachte ich... 
Rsense muss aber plötzlich viel Energie verheizen - muss er? - und ich 
glaubte, dass die Schaltung gedimmt genausoviel Energie verbraucht wie 
im ungedimmten Zustand!?
Doch der LM3404 regelt ja weiterhin den Strom, als müssten ja weiterhin 
1000mA durch Rsense fließen, das heißt auch die Spule L1 bleibt 
weiterhin geladen bzw behält einen Stromrippel bei.
Wenn dem so ist gilt an Rsense: I=1A * R=0,2Ohm = 0,2V. Welche Leistung 
muss also Rsense verheizen? P = 0,2V * 1A = 0,2 Watt.
Wärend der PWM Dimm LOW Zeit werden also nur 0,2 Watt verheizt!?

Ist meine Theorie richtig? Ich weiß das ich hier etwaige Schaltverluste 
gänzlich ausser acht lasse.




2.)
Ungeachtet dessen ob ich das jetzt schon richtig verstanden habe, geht 
es noch um die Auswahl der Transistoren, speziell um Q2 und von 
passenden Treibern fuer diesen, da ich diese Schaltung zumindest 
testweise einmal aufbauen und testen möchte. Ich würde Bauteile aus dem 
Reichelt Programm bevorzugen.
Im AN wird fuer Q2 ein ZXM2A01E6CT angegeben, das ist ein SOT23-6 N-CH 
2,4A 20V MOSFET. Wenn ich die Schaltung richtig interpretiere wird hier 
ein N-LogL FET benötigt. Könnte ich den IRLU024N oder IRLL024N 
verwenden?
Bei der Auswahl des Treibers fuer Q2 bin ich komplett Ahnungslos :( Es 
wird ein Si1539DL vorgeschlagen, mit dem Bezug sieht es da aber auch 
schlecht aus :/


Dann hatte ich noch die Idee, diese art der (schnellen) Dimmung mit 
anderen LED Treibern zu benutzen. Müsste doch eigentlich funktionieren 
wenn meine "Theorie" stimmt!?


Über Antworten würde ich mich sehr freuen.

Vielen Dank
Grüße
Dominik