Flexible LED-Frontscheinwerfer So »sehen« Autos besser

Seit kurzem kommen LEDs nun auch für Frontleuchten zum Einsatz, zum Beispiel für das Abblendlicht, Fernlicht, Nachtsicht und Nebelscheinwerfer. Für die Implementierung flexibler LED-Treiber für Voll-LED-Scheinwerfer gelten besondere Entwurfsaspekte. Sie umfassen grundlegende Topologien mit getakteten Stromversorgungen und digitales Power-Management. Zudem stellen die PWM-Helligkeitsregelung, Diagnosen und Ausfallschutz besondere Herausforderungen. Aber es ergeben sich auch ganz neue Möglichkeiten.

Mit den Mitte der 1990er-Jahre eingeführten zentral oben angebrachten Bremslichtern kamen erstmals LEDs für die Außenbeleuchtung von Automobilen zum Einsatz. Rund zehn Jahre später wurden sie auch für das Tagfahrlicht eingeführt, beschleunigt durch EU-Vorschriften, die bei neuen Fahrzeugen energieeffiziente Lösungen für das Tagfahrlicht vorschreiben. Dank weiterer technischer Entwicklungen eignen sich LEDs nun auch für Frontscheinwerfer. Sparsame LEDs, die in Bremsleuchten verwendet werden, lassen sich mit einem Vorwiderstand für die Stromeinstellung einfach und kostengünstig steuern. Lineare Konstantstromquellen ermöglichen eine deutlich präzisere Stromregelung.

Beim Einsatz mit besonders hellen LEDs zum Beispiel für Frontscheinwerfer reicht der Gesamtwirkungsgrad jedoch nicht aus. Bei solchen Anwendungen basieren LED-Treiber auf getakteten Stromversorgungen (Switch Mode Power Supplies, SMPS), die hoch effizient arbeiten, sich genau regeln lassen sowie ein kompaktes Design ermöglichen. Nachteile solcher LED-Treiber sind komplexere elektrische Schaltungen, eine geringere elektromagnetische Verträglichkeit sowie -die höheren Kosten. Diese Nachteile lassen sich jedoch durch ein geschicktes Design umgehen.

Zu den ersten Schritten im Entwurfszyklus gehört die Auswahl der Topologie der Stromversorgung. Im Gegensatz zu Festspannungsquellen regeln LED-Treiber den Strom durch die LEDs. Die Ausgangsspannung ist nur eine Funktion des LED-Stroms, der Anzahl der LEDs und deren Sperrschichttemperatur. Die Durchlassspannung ultraheller weißer LEDs beträgt bei Zimmertemperatur in der Regel zwischen 3 V und 3,8 V.

Abhängig von der Temperatur kann der Wert jedoch um bis zu 30 Prozent schwanken. Die Anzahl der LEDs in der Kette multipliziert mit der minimalen und maximalen Durchlassspannung ergibt den Ausgangsspannungsbereich der LED-Treiber. Eine zentrale Herausforderung beim Gewährleisten einer stabilen Regelung von LED-Anwendungen in Fahrzeugen besteht in der Stromversorgung. Bei einer Standardbatterie beträgt die Versorgung etwa 12 V, bei Lichtmaschinen meist zwischen 13 V und 15 V. Besonders kritisch ist die Stromversorgung durch Batterien beim Anlassen des Motors.

Dabei kann die Spannung unter 3 V fallen. Da Scheinwerfer bei Kaltstarts nicht voll einsatzbereit sein müssen, kann eine »intelligente« Steuerung für eine zuverlässige Regelung mit dem gewünschten optischen Effekt sorgen. Immer mehr Fahrzeuge werden jedoch mit Start-Stopp-Systemen ausgestattet, sodass es im normalen Verkehr zu wiederholten Anlasszyklen kommt. Bei solchen Systemen fällt die Batteriespannung beim Anlassen auf 6 V bis 7 V. Fahrzeughersteller und Fahrer bestehen jedoch im Allgemeinen darauf, dass das Scheinwerferlicht deswegen nicht variiert.

Nicht isolierte Topologien

Indem Entwickler den Spannungsbereich von Fahrzeugen (6 V bis 18 V) mit der Zahl der am Ausgang in Serie geschalteten LEDs vergleichen, können Hersteller die geeignete Topologie wählen (Bild 1).

Am Beispiel des LED-Moduls »Ostar« von Osram zeigt Tabelle 1 verschiedene Topologien, die als Funktion der Anzahk in Serie geschalteter LEDs möglich sind. Bei diesem Eingangsbereich kann mit einem Abwärtswandler lediglich eine einzige LED betrieben werden, während bei einem Aufwärtswandler mindestens sieben LEDs in Serie vorhanden sein müssen.

Aus diesen Gründen haben sich in der Automobilbranche LED-Treiber durchgesetzt, die sowohl Aufwärts- als auch Abwärtsregelung unterstützen.

So können eine bis 14 LEDs in Serie verwendet werden.

Bei hohen Ausgangsspannungen (hier mit 60 V als möglichem Grenzwert angegeben) können isolierte Topologien erforderlich sein.

Aufgrund der damit verbundenen höheren Kosten sind solche Topologien jedoch normalerweise unerwünscht. Es kann vorteilhaft sein, lange LED-Ketten in parallele Ketten aufzuteilen, um hohe Ausgangsspannungen zu vermeiden.

Hierfür ist entweder eine präzise Stromverteilung oder der Einsatz eines zweiten unabhängigen LED-Treibers erforderlich. Abwärts-/Aufwärtswandler bieten Entwicklern von LED-Systemen auch andere praktische Vorteile.

Da bei der Außenbeleuchtung mit LEDs das Design eine wichtige Rolle spielt, sind bei der Überarbeitung eines Fahrzeugmodells Änderungen am LED-Treiber erforderlich, wenn neue Typen, eine andere Anzahl von LEDs und/oder unterschiedliche LED-Konfigurationen eingeführt werden.

Wegen der knapp bemessenen Projektfristen müssen die Steuereinheiten von Beleuchtungssystemen auf vorhandenen Modulen aufbauen. Darum nutzen die Entwickler bevorzugt flexible Aufwärts-/Abwärtstopologien.

Zudem arbeitet die Automobilbranche an der Standardisierung der Steuergeräte für LEDs, um eine höhere Zahl an LED-Konfigurationen zu unterstützen.

Ein weiterer Ansatz, die Flexibilität von mehrkettigen LED-Treibern zu erhöhen, besteht in der Verwendung einer zweistufigen Lösung (Bild 2). Mit einem Aufwärtswandler als Frontend zur Regelung eines Zwischenkreises mit hoher Spannung können sekundäre Abwärtswandler voneinander unabhängige Ketten versorgen - bei voller Flexibilität hinsichtlich der Zahl und Art von LEDs.

Voll-LED-Scheinwerfer lassen sich so mit vier bis zehn (oder mehr) unabhängigen LED-Ketten implementieren. Der maximale Ausgangsstrom der LED-Treiber hängt von den LEDs ab. Bei Frontscheinwerfern beträgt der Wert in der Regel 1 A. Mit der PWM-Helligkeitsregelung lässt sich der Lichtstrom ohne Farbänderung reduzieren. Dabei wird das Tastverhältnis zwischen ein- und ausgeschaltetem Zustand variiert, während bei der analogen Helligkeitsregelung der Referenzstrom reduziert werden muss.

LEDs sind besonders robust und ermöglichen schnelle Ein-/Ausschaltzeiten. Durch eine Abschaltung der LED-Kette in jedem Ausschaltzyklus lassen sich bei der Helligkeitsregelung hohe Kontrastverhältnisse erzielen. So wird verhindert, dass beim Ausschalten ein geringer Leckstrom aus dem geladenen Ausgangskondensator durch die LED-Kette fließt. Zudem lässt sich beim Einschalten ein zu hoher Einschaltstrom vermeiden.

Das Abschalten der LED-Kette eignet sich auch als Schutzmechanismus bei Ausfallarten wie Überspannung, Überstrom und Kurzschlüssen. Die LEDs befinden sich in der Regel nicht auf der gleichen Platine wie die zugehörigen Treiber, sodass extern verdrahtete Anschlüsse erforderlich sind. In Fahrzeugen lassen sich so die Anschlüsse bei Kurzschlüssen - entweder über die Batterie oder gegen Erde oder beides - schützen. Wenn man zum Beispiel die Boost-Topologie betrachtet, hätte ein Kurzschluss vom positiven Ausgang gegen Erde ohne zusätzlichen Schutz katastrophale Folgen. Hier könnte zur Abschaltung der Last (LED-Kette) und zur Isolierung des Ausfalls ein High-Side-Dimming-FET zum Einsatz kommen.

Digitales Power-Management

Bei Anwendungen wie Stromversorgungen in der Telekommunikation, in Solarwechselrichtern sowie AC/DC- und DC/DC-Wandlern nutzen immer mehr Hersteller digitales Power-Management. Das gleiche Konzept lässt sich problemlos auch bei LED-Treibern für die Frontbeleuchtung von Automobilen verwenden.

Ein einziger integrierter »C2000«-Prozessor von Texas Instruments und eine »intelligente« LED-Steuerung können verschiedene voneinander unabhängige LED-Ketten regeln, wobei mehr Prozessorbandbreite für die Diagnose, die Kommunikation und das Wärmemanagement zur Verfügung steht. Mit einem System wie in Bild 3 lässt sich zudem die Flexibilität der LED-Treiber optimieren.

So können die Entwickler eine gemeinsame Hardwareplattform für zahlreiche LED-Konfigurationen definieren, die lediglich Änderungen an der Software erfordern. Auch nach dem Abschluss der Hardwareentwicklung lassen sich zentrale Parameter wie die Koeffizienten des Regelkreises in kürzester Zeit aktualisieren - für die Anpassung an Umgebungsänderungen sogar in Echtzeit. Anders als bei analogen LED-Treibern wird der Ausgleich über die Software vorgenommen und bleibt unabhängig von Temperaturänderungen beziehungsweise der Alterung und Toleranz der Komponenten. Eine weitere wichtige Herausforderung in der Automobilelektronik ist die elektromagnetische Verträglichkeit (EMC).

In digitalen Systemen lassen sich die verschiedenen Spannungsschienen problemlos synchronisieren oder die Schalt-frequenzen von Schaltnetzteilen ändern, um die elektromagnetische V

Das Wärmemanagement ist wichtig für eine lange Lebensdauer der LEDs und eine optimale Leuchtstärke. Neben der Steuerung der aktiven Kühlung lassen sich durch eine Überwachung der Sperrschicht- oder Kühlkörpertemperatur (z.B. mit Thermoelementen) auch einzelne ausgefallene LEDs ermitteln und die Diagnose verbessern. Bei analogen Treibern ist dies äußerst schwierig. Die digitale Steuerung bietet den Vorteil, dass sich mithilfe der PWM-Helligkeitsregelung beziehungsweise einer Reduzierung des Referenzstroms die optimale Arbeitstemperatur einstellen, Ausfälle voraussagen und Foldback-Lösungen implementieren lassen.

Parallel zur echtzeitbasierten LED-Regelung für mehrere Ketten unterstützt der Mikrocontroller die Kommunikation über das fahrzeuginterne Netzwerk beziehungsweise über den CAN- oder LIN-Bus. An der Regelung der Frontscheinwerfer sind andere Steuergeräte beteiligt, beispielsweise Hauptsteuereinheiten, Messcluster, Fahrerassistenzsysteme sowie Lenkrad- und Navigationssysteme.

Über den Autor:

Ole-Kristian Skroppa ist Systems Engineer im Automotive Marketing Team bei Texas Instruments