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Beleuchtung im Automobil

LED-Controller sorgt für die richtige Erleuchtung

02. März 2020, 14:16 Uhr   |  Dr. Nazzareno Rossetti und Yin Wu

LED-Controller sorgt für die richtige Erleuchtung
© Robert Kneschke / Adobe Stock

LED-Fahrzeugaußenbeleuchtungen lässt sich mit einer Buck-Boost-Durchschnittsstromregelung verbessern.

High-Power-LED-Außenbeleuchtungen im Auto stellen hohe Anforderungen hinsichtlich Verlustleistung und genauer Stromregelung. Beides wirkt sich auf Farbe und Helligkeit der LEDs aus. Ein LED-Controller-IC von Maxim sorgt für geringe Systemverluste sowie gleichbleibende LED-Farbe und Helligkeit.

LEDs kommen im Automobilbereich in vielen Anwendungen und in verschiedenen Anordnungen vor: zum Beispiel als einzelne LED-Leuchte oder auch als LED-Reihen und Matrizen. Damit lassen sich Funktionen wie Fernlicht, Abblendlicht, Nebel- und Tagfahrlicht realisieren. Die Eingangsspannung für LEDs, die aus der Autobatterie gespeist werden, beträgt typischerweise 12 V, sie kann bei einer vollgeladenen Batterie aber auch bis zu 16 V betragen. Fahrzeuge mit Start/Stopp-Technik zeigen beim Starten des Motors große Spannungseinbrüche, so dass die untere Grenze der Versorgungsspannung weit unter den typischen 12 V liegt und oft bis 5 V abfallen kann.

Maxim Integrated
© Maxim Integrated

Bild 1: Schaltplan eines typischen Scheinwerfersystems

Die Schaltregler, die die LEDs mit Strom versorgen, müssen also einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und über den gesamten Eingangsspannungsbereich, den die Autobatterie liefert, funktionieren sowie Spannungsspitzen von 60 V aushalten. Am Ausgang des Spannungsreglers kann sich eine geschaltete Dioden-Reihe befinden, wobei alle zwölf LED-Dioden (42 V) zusammen betrieben werden oder gedimmt nur eine einzige LED-Diode (3,5 V). Dementsprechend kann die Eingangsspannung des Spannungsreglers von 5 V bis 60 V variieren, wogegen die Ausgangsspannung von 3,5 V bis 42 V reichen und somit jederzeit über oder unter der Eingangsspannung liegen kann.

Im Folgenden geht es um die Herausforderungen beim Betreiben von geschalteten LED-Reihen mit einer Autobatterie und darum, wie eine Lösung für die Buck-Boost-Durchschnittsstromregelung (Average Cur-rent Mode Control) aussehen kann, die diese Herausforderungen meistert.

Typisches Scheinwerfersystem

Scheinwerfersysteme nutzen in der Regel einen Aufwärtswandler (Boost) als Frontend, um mit der variablen Eingangsspannung zurechtzukommen. Dieser Aufwärtswandler liefert eine gut geregelte und ausreichend hohe Ausgangsspannung (Bild 1). Ausgehend von dieser stabilen Stromversorgung steuern spezielle Abwärtswandler (Buck) die Intensität und Position der Scheinwerfer. Jeder Abwärtswandler steuert eine einzelne Funktion, beispielsweise das Fernlicht, das Abblendlicht, die Nebelscheinwerfer, das Tagfahrlicht (DRLs) oder die Positionslichter. Der Matrix-Manager schaltet die Dioden einer Reihe ein oder aus, indem der Ausgang jedes Abwärtswandlers entsprechend eingestellt wird.

Der Nachteil dieser Konfiguration ist, dass jeder Abwärtsregler mit einer erhöhten Eingangsspannung arbeitet, die weit über der Batteriespannung liegt, selbst wenn seine Ausgangsspannung niedrig ist. Dies ist das Worst-Case-Szenario hinsichtlich der Schaltverluste und der Aussteuerung.

Im Idealfall wird für jede Reihe eine maßgeschneiderte Buck-Boost-Lösung eingesetzt, bei der die Spannung, falls möglich, nach einer Abwärtsregelung (Buck-Modus) und gegebenenfalls einer Aufwärtsregelung von der Autobatterie kommt. Eine möglichst niedrige Eingangsspannung reduziert die Schaltverluste des Systems und verbessert den Wirkungsgrad.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Präzision der Regelung von Strom und Spannung. Der im typischen Peak- beziehungsweise Valley-Current-Mode gesteuerte Abwärtswandler regelt den Spitzenstrom der Induktivität. Jedoch entspricht der Strom in der Diodenreihe dem Durchschnittsstrom in der Induktivität. Dieser Fehler aus Durchschnitts- und Spitzenstrom wird schließlich von der äußeren Spannungregelung beseitigt, jedoch tritt er unter dynamischen Bedingungen (zum Beispiel beim Einschwingen) erneut auf.

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Bild 2: Buck-Boost-Anwendungsschaltbild mit dem synchronen Abwärts-/Aufwärts-LED-Controller MAX25600

Bild 1 zeigt beispielhaft, wie der Matrixmanager auf Anhieb die Anzahl eingeschalteter Dioden von acht auf zwölf erhöhen kann. Der daraus resultierende sprunghafte Anstieg der Ausgangsspannung erzeugt eine Strom- und Spannungsschwankung am Ausgang des Abwärtswandlers, und es dauert einige zehn Mikrosekunden, um diese Schwankung auszureglen. Eine Pulsweitenmodulationsschaltung (PWM) mit großem Dimmverhältnis misst den Strom nur einige Mikrosekunden lang. Währenddessen fällt die Amplitude des Stroms ab, was beim Dimmen zu einer falschen Helligkeit und Farbe führt. Eine Regelung, die den Durchschnittsstrom anstelle des Spitzenstroms misst, würde dieses Problem beheben.

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1. LED-Controller sorgt für die richtige Erleuchtung
2. Synchroner High-Power-Buck-Boost-LED-Treiber
3. Fast-Fixed-Frequency-Architektur

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