LED mit LM3409

[Johannes B. (jopi)]

Hallo,

ich betreibe eine LED mit einer PWM und dem LM3409.
Nachdem ich mit dem Oszi die Spannung über der LED gemessen habe, fiel 
eine Ausschaltzeit auf. Das Bild im Anhang verdeutlicht, dass die grüne 
LED-Spannung der gelben PWM-Spannung nicht exakt folgt beim Ausschalten.
Ich habe daher den MOSFET am Ausgang des LM3409 ausgetauscht, in der 
Hoffnung eine kleinere Gate-Ladung (Qg) verbessert das Verhalten. Das 
Ergebnis war jedoch unverändert. In meiner Simulation hat dies jedoch 
funktioniert.
Vielleicht sollte ich auch im PWM-Takt meine LED kurzschließen?
Hat jemand noch eine Idee, woran die Ausschaltzeit liegen könnte?

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Johannes B. schrieb:
> Das Bild im Anhang verdeutlicht, dass die grüne LED-Spannung der gelben
> PWM-Spannung nicht exakt folgt beim Ausschalten.
Wie sieht denn deine Schaltung aus, dass du dieses Verhalten erwarten 
würdest?

Dir ist schon klar, dass der LM3409 ein Schaltregler ist, der im 
Idealfall für konstanten Stom durch die LED zu sorgen hat. Und wenn du 
den über seinen Enable-Pin abschaltest, dann fließt der Strom durch die 
Induktivität erst mal weiter, bis die Energie aus der Spule raus ist.

BTW: Schaltpläne sind die Sprache der Elektronik. Sie sind Prosa weit 
überlegen. Könntest du einen Schaltplan mit Bauteilwerten und -namen 
posten.

[Michael B. (laberkopp)]

Johannes B. schrieb:
> Das Bild im Anhang verdeutlicht, dass die grüne LED-Spannung der gelben
> PWM-Spannung nicht exakt folgt beim Ausschalten.

Warum sollte sie auch ?

Johannes B. schrieb:
> Vielleicht sollte ich auch im PWM-Takt meine LED kurzschließen

Wie wäre es, den LED Strom zu messen statt der Spannung, denn der gibt 
die Helligkeit vor, und nicht davon aus zu gehen, dass Schaltregler 
unendlich schnell reagieren, schliesslich muss Strom in Spulen langsam 
ansteigen und wird langsam abfallen ....

[Johannes B. (jopi)]

Die Schaltung ist im Anhang. Links wird die PWM angelegt. Rechts am 
Ausgang hängt die LED und oben ist die 24V-Versorgung.

Da hast Du Recht. Trotzdem denke ich, dass ich dieses Problem auch mit 
dem Treiber lösen könnte...

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Johannes B. schrieb:
> dass ich dieses Problem auch mit dem Treiber lösen könnte.
Was ist denn das eigentliche Problem? Warum soll der LED-Strom sofort 
abfallen? Und: wie schnell ist "sofort"?

[Johannes B. (jopi)]

Das Problem ist, dass das Ausschalten der LED sichtbar ist und das soll 
eigentlich vermeidet werden. Eine vorgegebene Zeit gibt es nicht, sollte 
einfach minimiert werden.

[Axel R. (axlr)]

Ich würde den Treiber laufen lassen und die LED kurzschließen. Wenn sie 
dann "dauerhaft" aus bleiben soll, kann man den Treiber immernoch 
abschalten.

[Andreas M. (amesser)]

Deine PWM Frequenz ist für Dimming via EN Pin viel zu hoch. Bei der 
niedrigst gewünschten Helligkeitsstufe sollten wenigsten 5-10 
Schaltzyklen des Buck drinnen sein. Das steht auch so im Datenblatt, es 
hat schon seinen Grund warum die Diagramme für diesen Fall schon bei 
200Hz PWM Frequenz beginnen. Lt deiner Messung läuft der Buck gerade mal 
mit 300kHz. D.h. für die 10000:1 Diming Ratio aus dem DB dürfte deine 
PWM nicht schneller als 30Hz sein und selbst das ist eigentlich noch 
außerhalb des Linearen Bereichs.

Allerdings ist der lineare Abfall der Spannung schon etwas merkwürdig. 
Kann es sein, das die LED ein Vorwiderstand hat? Anhand der Schwingungen 
scheint mir die Led erst bei 2V auszugehen. Und/Oder ist da etwa der 
Kondensator bestückt? Der hat am Ausgang nichts verloren, das ist kein 
Spannungsregler sonder ein Stromregler.

Eidt: Im Datenblatt steht auch ganz klar, das bei High-Frequency PWM ein 
Ausgangskondensator suboptimal ist.

[Johannes B. (jopi)]

Der Kondensator C109 ist nicht bestückt.
Ein Vorwiderstand für die LED ist auch nicht vorhanden.

[Peter D. (peda)]

Andreas M. schrieb:
> Deine PWM Frequenz ist für Dimming via EN Pin viel zu hoch.

Im Datenblatt sind 20kHz angegeben:
Figure 17. 20 kHz 50% EN Pin PWM Dimming

Und mit einem FET parallel zur LED:
Figure 18. 100 kHz 50% External FET PWM Dimming

[H. H. (Gast)]

Die Spannungsfestigkeit von C108 scheint mir leicht übertrieben.

[Andreas M. (amesser)]

Peter D. schrieb:
> Im Datenblatt sind 20kHz angegeben:
> Figure 17. 20 kHz 50% EN Pin PWM Dimming

Lies mal das Datenblatt richtig! Da steht das die PWM Frequenz höchstens 
10% der Schaltfrequenz betragen sollte und das man für gute Linearität 
der Regelung noch viel weiter runter muss. 50% Duty bei PWM ist der 
Optimalfall. Ab 1% Duty und darunter wird es interessant. Die 
Empfindlichkeit des Auges ist nicht linear, das wirkt sich gerade bei 
geringer Helligkeit aus, da sieht man kleinste Nuancen. Hat der OP ja 
selbst schon festgestellt.

Was für LEDs genau hängen da dran?

[Johannes B. (jopi)]

Andreas M. schrieb:
> Was für LEDs genau hängen da dran?

Da hängt eine LED "LZ1-04CWP2" von LEDENGIN dran.

[Michael B. (laberkopp)]

Johannes B. schrieb:
> LZ1-04CWP2

Wird oft als 10W verkauft, hält aber nur 5W aus

https://m.german.alibaba.com/p-detail/LZ1-04CWP2-5W-3V-1-5A-1600489206366.html

[Andreas M. (amesser)]

Johannes B. schrieb:
> Da hängt eine LED "LZ1-04CWP2" von LEDENGIN dran.

Dann stimmt was mit Deiner Messung nicht. diese LED haben eine 
Flusspannung von höchstens 3,5V bei 3A Strom. Lt. Deiner Messung nach 
liegen ca 5,5V am Ausgang des Wandlers an.

Verkabelung? Übergangswiderstände? LED kaputt?

[Johannes B. (jopi)]

Andreas M. schrieb:
> Dann stimmt was mit Deiner Messung nicht. diese LED haben eine
> Flusspannung von höchstens 3,5V bei 3A Strom. Lt. Deiner Messung nach
> liegen ca 5,5V am Ausgang des Wandlers an.

Das ist richtig.
Ich habe noch eine neue Messung im Anhang.

[Peter D. (peda)]

Andreas M. schrieb:
> Ab 1% Duty und darunter wird es interessant.

Daher dann wohl die Variante mit 100kHz PWM über den FET parallel zur 
LED und nicht über den Regler.

[Johannes B. (jopi)]

Andreas M. schrieb:
> Da steht das die PWM Frequenz höchstens
> 10% der Schaltfrequenz betragen sollte und das man für gute Linearität
> der Regelung noch viel weiter runter muss. 50% Duty bei PWM ist der
> Optimalfall.

Ich habe jetzt nochmal eine Messung nach Datenblatt durchgeführt.
f=20kHz bei Duty 50%
Da fällt die Spannung (grün) wieder mit der Kurve ab. Auch der Strom 
(orange) sieht nicht so aus, wie es im Datenblatt sein sollte. 
(Stromzange: 100mV/A)
Hat jemand eine Idee, woran das liegen könnte?

[Michael B. (laberkopp)]

Johannes B. schrieb:
> Hat jemand eine Idee, woran das liegen könnte?

Eas für eine 15uH Spule hast du denn verwendet, sieht eher wie 150uH 
aus.

[Johannes B. (jopi)]

Michael B. schrieb:
> Eas für eine 15uH Spule hast du denn verwendet, sieht eher wie 150uH
> aus.

Es ist tatsächlich eine 150uH Spule bestückt. Ich muss dem erstmal 
nachgehen und die richtige besorgen und austesten.
Hast Du das an dem Schwingverhalten und der großen Zeitkonstante 
erkannt?

[Andreas M. (amesser)]

Michael B. schrieb:
> Eas für eine 15uH Spule hast du denn verwendet, sieht eher wie 150uH
> aus.

Ja, so ist es. Ich denke auch das die Spule zu groß ist und daher zu 
viel Energie speichert. Die Stromzange scheint mir das Signal allerdings 
ordentlich zu verschleifen und zu verzögern. Ich denke ein 0.1 Ohmm 
Widerstand zwischen Led und GND wäre für Messungen besser. Vermutlich 
ist der Chip nicht unbedingt für eine einzelne Led gedacht, im 
Datenblatt sind da immer viele Leds und damit hohe Spannungen und damit 
schnelleres Strom Abklingen der Spule.

Peter D. schrieb:
> Daher dann wohl die Variante mit 100kHz PWM über den FET parallel zur
> LED und nicht über den Regler.

Ja genau. Ist halt doof für den Wirkungsgrad. Alternativ "analoge" 
Dimmung per Stromvorgabe.

[Michael B. (laberkopp)]

Johannes B. schrieb:
> Hast Du das an dem Schwingverhalten und der großen Zeitkonstante
> erkannt?

Ja.

[Johannes B. (jopi)]

Andreas M. schrieb:
> Vermutlich
> ist der Chip nicht unbedingt für eine einzelne Led gedacht, im
> Datenblatt sind da immer viele Leds und damit hohe Spannungen und damit
> schnelleres Strom Abklingen der Spule.

Das könnte evtl sein. Sollte aber eigentlich im Datenblatt stehen, 
irgendwie merkwürdig.
Meine Simulationen in PSpice verdeutlichen eigentlich, dass das 
abklingende Verhalten durch den MOSFET am Ausgang zustande kommt. Im 
Anhang ist oberhalb ein MOSFET von  TI dargestellt und unterhalb der 
ideale PMOS von PSpice.

[Andreas M. (amesser)]

Johannes B. schrieb:
> Meine Simulationen in PSpice verdeutlichen eigentlich, dass das
> abklingende Verhalten durch den MOSFET am Ausgang zustande kommt. Im
> Anhang ist oberhalb ein MOSFET von  TI dargestellt und unterhalb der
> ideale PMOS von PSpice.

Ja, der lt. Datenblatt kann der LM3409 nur 50mA Push-Pull am 
Mosfetausgang. Das ist recht wenig, typische Gate-Treiber kommen auf 
500mA und mehr. D.h. man muss einen Mosfet mit möglichst niedriger Qg 
suchen. Deiner ist eigentlich viel zu groß/kräftig. Das geht mit großer 
Qg einher. lt. Datenblatt hat der SUD50P04 Qg=60nC bei Ugs=4.5V darüber 
noch mehr. Im Datenblatt steht, Qg sollte kleiner 30nC sein... Also z.B. 
so einer hier: FDS4685 mit Qgs ~ 6nC. Der wäre hier 10x schneller beim 
Abschalten.

[Andreas M. (amesser)]

Nachtrag: Wegen Lieferbarkeit und Footprint könnte der hier besser sein: 
DMP4047SK3-13

[Johannes B. (jopi)]

Andreas M. schrieb:
> Im Datenblatt steht, Qg sollte kleiner 30nC sein

Daher habe ich schon eine Alternative getestet.
Ich habe den PJD45P04 genommen: Qg=19nC
Da war kein Unterschied ersichtlich komischerweise.
Ich könnte noch einen anderen MOSFET austesten, aber ob das dann einen 
Unterschied macht bleibt fraglich...

[Andreas M. (amesser)]

Möglicherweise deaktiviert der LM3409 seinen Mosfet Treiber einfach wenn 
man Enable weg nimmt statt das Gate abzuschalten? Schaut man sich aber 
das Oszi-Bild an, dann nimmt nach Abschalten der Spulenstrom aber mit 
der gleichen Steigung ab wie im Betrieb. Sicher das es nicht doch an der 
zu großen Spule liegt? Wie hast Du denn den LM3409 simuliert? Vielleicht 
ist auch der High-Side Treiber im LM3409 kaputt. Miss doch mal die Gate 
Spannung mit dem Oszi.

[Johannes B. (jopi)]

Das könnte sein...

Die Spule ist nicht zu groß. Habe nochmal neu berechnet und auch mal 
ohne Drossel simuliert...ähnliches Ergebnis.
Ich habe mehrere Platinen getestet, die das gleiche Verhalten aufweisen, 
also wäre komisch wenn da was kaputt ist.
Ich habe mit PSpice von TI simuliert. Da gibt es den LM3409 direkt als 
Modell.

[Andreas M. (amesser)]

Johannes B. schrieb:
> ohne Drossel simuliert.

Wie ohne Drossel simuliert? Das ist nur begrenzt Aussagefähig. Sobald 
der Mosfet anfängt zuzumachen, sorgt die Stromänderung in der Spule 
dafür das die Spannung am Drain einbricht. Man muss bei Schaltreglern 
immer das Gesamtsystem betrachten, die Spannung am Drain sagt jetzt auch 
nicht direkt was über das Abklingverhalten der Spule aus. Ein weiteres 
Problem was man berücksichtigen muss ist, das die Drain/Gate Kapazität 
Änderungen der Drainspannung auf das Gate zurückkoppelt, auch das zögert 
die Abschaltung hinaus. Deswegen wundert es mich ein bischen, das ein 3A 
Buck Controller gerade mal 50mA Treiberstrom liefern kann, der muss 
nämlich dafür sorgen, dass der Rückopplungsstrom durch die Drain/Gate 
Kapazität abgeführt wird ohne das die Gatespannung zu sehr ansteigt. 
(Wenn der Gate-Treiber zu schwach ist kann man einen Mosfet "anschalten" 
indem man auf das Drain einen Puls gibt weil dieser über die parasitären 
Kapazitäten das Gate auflädt. Nennt sich "Self-Turn-On". Kannst ja mal 
danach googlen.

Ich entnehme Deinen Aussagen, dass du 150µH Spule schon durch 15µH 
ersetzt hast?

[Johannes B. (jopi)]

Andreas M. schrieb:
> Ich entnehme Deinen Aussagen, dass du 150µH Spule schon durch 15µH
> ersetzt hast?

Die Spule war mit 15uH bestückt. Ich hatte voreilig eine 150 gelesen, 
dann jedoch über den inductance code nachgedacht.

Ich hatte einfach mal die Drossel hinter dem MOSFET weggelassen beim 
Simulieren.

Das könnte natürlich sein, bloß wundert es mich, dass im Datenblatt auch 
ca. 2,5A Strom gemessen werden und ein fast ideales Abklingverhalten zu 
sehen ist.
Eventuell habe ich wirklich eine ungünstige LED.