300W Konstantstrom LED Treiber (Buck Converter)

So, nach den vielen englischen Artikeln schreibe ich wieder einmal einen in Deutsch. Ich habe vor ein paar Wochen eine Konstantstromquelle für eine gepulste LED Leuchte “gebastelt”. Wie das manchmal so ist, hat mein Vorhaben nicht so funktioniert wie ich mir das vorgestellt habe, da die Energiedichte der Leuchte massiv zu klein ist. Naja immerhin habe ich jetzt einen ziemlich leistungsfähigen Buck Converter und ein LED Ringlicht, das einen fast erblinden lässt wenn man reinschaut (40x Cree XP-L @ 9A). Der Buck Converter kann sowohl als Netzteil, als auch Konstantstromquelle verwendet werden, da der benutzte IC CC/CV unterstützt.

Die Schaltung basiert auf dem LT3741 von Linear Technology. Prinzipiell ist es die gleiche Schaltung, welche auch im Datenblatt unter typical applications gefunden werden kann. Die Spezifikationen sind folgende

• 15A Ausgangsstrom (getestet bis ca. 10A) ohne Kühlung 71°C bei 10A
• 30V Ausgang, 36V Eingang
• 514kHz Schaltfrequenz
• ca. 40mVpp Rippel
• Rund, 60mm Durchmesser

Je nach Bedarf kann die Schaltung natürlich angepasst werden. So hier das Layout. Das Wärmemanagement ist zwar nicht optimal aber für meine Anwendung mehr als ausreichend. Mit zwei Innenlagen und ein paar thermischen Vias könnte man die Temperatur der FETs wahrscheinlich um 10-15° runterbringen.

Das PCB und die Schablone habe ich bei Multi PCB (70u) fertigen lassen. Nach einer halben Stunde bestücken und 5min reflow löten konnte ich die Schaltung testen. Die Ausgangskondensatoren sind Poscaps mit 18mOhm ESR und je 120uF/35V. Die Mosfets sind BSC032N04LS von Infineon, da diese das absolut beste Verhältnis zwischen Gateladung und Rdson haben. (Die Verlustleistung ist nicht nur vom Innenwiderstand des Fets abhängig, sondern auch von den Schaltverlusten. Mit zunehmender Frequenz steigen auch die Schaltverluste und übersteigen schlussendlich die ohmschen Verluste). Ich habe hier auf die Schottky Diode über dem Lowside Fet aus Platzgründen verzichtet. Man könnte die Verluste noch ein wenig verkleinern, indem man den Lowside Fet durch einen mit kleinerem Rdson ersetzt. (Die Umladung des Gates verursacht hier weniger Verluste als im Highside Fet). Eine Alternative wären die AON7242 von Alpha & Omega Semiconductor.

Hier sieht man noch das Ringlicht.

Ohne Messungen kann man natürlich ziemlich wenig über die Performance aussagen. Messungen an Buck Convertern (d.h. bei allen schnell schaltenden Komponenten) sind nicht ganz einfach durchzuführen, da z.b. die parasitäre Induktivität der Ground Leitung des Tastkopfes das Messergebnis stark verfälschen kann. Das wird schön im ersten Bild gezeigt. DIe beiden Messkurven zeigen das exakt selbe Signal. Einmal mit einer 10cm langen Ground Leitung und einmal mit einem sehr kurzen Drahtstück, das direkt um den Groundring beim Tastkopf gewickelt wurde.

Die Messung am High Side FET zeigt, dass es fast kein Schwingen gibt, was schonmal sehr gut ist.

Die FETs werden beide nicht sonderlich warm: 71°C bei 514kHz und 9.65A Ausgangsstrom ohne jegliche Kühlung.
DIe gleiche Messung noch bei 283kHz. Wie zu erwarten war, werden die FETs durch die kleineren Schaltverluste nicht ganz so warm. Dafür ist der Rippel am Ausgang hoher..