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Abwärtsregler für High-Power-LEDs

Kfz-Außenbeleuchtungen verbessern

22. Januar 2018, 9:35 Uhr | Von Nazzareno Rossetti und Yin Wu

Hochleistungs-LEDs kommen vermehrt im Scheinwerfer zum Einsatz. Wichtig: ein optimales Power-Management. Der Beitrag beschreibt ein Abwärtsregler-IC, das schnelle und genaue LED-Beleuchtungen ermöglicht. Dank seiner Architektur ermöglicht es effiziente Beleuchtungssysteme mit komplexen Lichtmustern.

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Aufgrund ihrer Lichtcharakteristik und Effizienz werden High-Power-LEDs in Kfz-Außenbeleuchtungen immer beliebter. Die Elektronik für diese LEDs muss zur Regelung von Lichtintensität, Richtung und Fokus schnell, effizient und präzise sein. Sie sollte einen breiten Eingangsspannungsbereich abdecken und zur Vermeidung von elektromagnetischen Störungen (Electromagnetic Interference, EMI) außerhalb des AM-Frequenzbandes des Autoradios arbeiten. Zudem muss sie komplexe Lichtmuster unterstützen, die für LED-Matrixanordnungen in adaptiven Frontbeleuchtungssystemen benötigt werden.

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LEDs für Automobil-Außenbeleuchtungen

Aufgrund ihrer erheblichen Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Technologien erobern LEDs die Automobilindustrie im Sturm. Die Klarheit des weißen Lichts in LED-Scheinwerfern verkürzt die Reaktionszeit der Fahrer. Adaptive Frontbeleuchtungssysteme (AFS), die durch LED-Matrizen ermöglicht werden, erzeugen sich schnell ändernde komplexe Lichtmuster, die bei schlechten Lichtverhältnissen die Sicht für die Fahrer verbessern. In der Nacht kann ein AFS als Reaktion auf die Lichtstrahlen eines entgegenkommenden Fahrzeugs das Lichtmuster automatisch anpassen und so verhindern, dass der nahende Fahrer durch grelles Licht geblendet wird.

Die Einschaltzeit einer LED-Beleuchtung ist doppelt so schnell wie bei einer Glühlampe. LED-basierte Bremslichter leuchten deshalb schneller auf und warnen nachfolgende Fahrer früher. Das erhöht die Sicherheit im Straßenverkehr. Schließlich verbrauchen LEDs weniger Strom als Glühlampen, was erhebliche Vorteile für den Kraftstoffverbrauch hat. LED-Controller spielen eine wichtige Rolle beim Erhalt und der Verbesserung der inhärenten Qualitäten von LEDs hinsichtlich Klarheit, Schnelligkeit und Effizienz.

Ansteuerung von LEDs

LEDs kommen in vielen Automobilanwendungen in unterschiedlichen Konfigurationen von einer einzigen LED bis zu LED-Reihen und -Matrizen zum Einsatz. Damit High-Brightness-LEDs (HB-LEDs) optimale Leistung erzielen, benötigen sie einen konstanten Strom. Dieser korreliert mit der Sperrschichttemperatur und Farbe. Dementsprechend werden HB-LEDs mit Strom und nicht mit Spannung angesteuert. Als Stromquelle dienen sowohl 12-V-Autobatterien als auch 60-V-Aufwärtsregler für lange LED-Reihen. Bei Fahrzeugen mit Start-Stopp-Technologie bricht beim Starten des Motors die Batteriespannung erheblich ein. Sie fällt dabei deutlich unter die typischen 12 V, manchmal sogar auf 6 V oder weniger ab.

Dimmen

Dimmen ist eine weit verbreitete Funktion in vielen Automobilanwendungen und ein wichtiges Sicherheitsmerkmal für LED-Scheinwerfer. Das menschliche Auge bemerkt es kaum, wenn Licht von 100 Prozent auf 50 Prozent gedimmt wird. Das Dimmen muss auf ein Prozent oder weniger erfolgen, um deutlich erkennbar zu sein. Deshalb ist es kaum verwunderlich, dass das Dimmen in einem Autoscheinwerfer mit einem Verhältnis von 1000:1 oder höher spezifiziert ist.

Um die Farbe der LED konstant zu halten, muss der Strom durch die LED konstant geregelt sein. Für LEDs ist die beste Dimm-Strategie deshalb die Pulsbreitenmodulation (PWM), bei der die Lichtintensität durch Pulsen des Stroms anstatt durch Änderung der Amplitude moduliert wird. Damit die LED dabei nicht flackert, muss die PWM-Frequenz über 200 Hz liegen.

Beim Dimmen mit PWM ist das Limit für die minimale Ein-/Auszeit der LED die Zeit, die zum Ansteigen/Abfallen des Stroms in der Schaltregler-Induktivität benötigt wird. Das kann die Reaktionszeit um mehrere zehn Mikrosekunden verlängern, was für Anwendungen in LED-Scheinwerfer-Clustern, die schnelle, komplexe Dimm-Muster erfordern, zu langsam ist. In diesem Fall kann eine LED-Reihe nur durch individuelles Ein-/Ausschalten einzelner LEDs mittels fest zugeordneter MOSFET-Schalter (SW1-K in Bild 1) gedimmt werden. Die Herausforderung für den Stromregelkreis ist es, schnell genug zu sein, um sich rasch von den Ausgangs-spannungstransienten durch das Ein- und Ausschalten der Dioden zu erholen.

Eigenschaften des LED-Controllers

Am effektivsten ist ein LED-Controller, wenn er – wie zuvor erläutert – einen breiten Eingangsspannungsbereich abdeckt und ein schnelles Einschwingverhalten aufweist. Um Hochfrequenzstörungen zu reduzieren und EMI-Standards zu erfüllen, ist eine hohe, gut geregelte Schaltfrequenz außerhalb des AM-Frequenzbandes erforderlich. Schließlich reduziert der hohe Wirkungsgrad die Wärmeerzeugung und verbessert die Zuverlässigkeit des LED-Lichtsystems.