Aussenbeleuchtung von Fahrzeugen LEDs ansteuern und diagnostizieren

Einer der Designtrends im Automobilbereich ist die Verwendung von LEDs. Solche Frontscheinwerfer ermöglichen beispielsweise durch die neuen Designmöglichkeiten einen hohen Marken-Wiedererkennungswert. Außerdem sind LEDs im Vergleich zu herkömmlichen Glüh- oder Halogenlampen zuverlässiger und reduzieren den Treibstoffverbrauch. Allerdings bringen sie auch Herausforderungen für die Elektronikarchitektur sowie für die Fehlerdiagnose mit sich. Letztere ist wegen Sicherheitsaspekten, gesetzlichen Anforderungen sowie für die Fahrerinformation notwendig.

Typische Body-Elektronik-Architekturen für die Innen- und Außenbeleuchtung von Fahrzeugen bestehen vereinfacht dargestellt aus einem Body-Control-Modul (BCM), dem Kabelstrang und den Lichtquellen (Bild 1). Das BCM beinhaltet Kommunikationsschnittstellen (CAN, LIN, etc.), Mikrocontroller, »intelligente« Halbleiterschalter und Treiberbausteine.

Die Steuerung und Diagnose der Lasten (also der Lichtquellen) wird mit-tels integrierter Halbleiterschalter am BCM, wie zum Beispiel Infineons neuester »PROFET+«-Familie, durchgeführt. Typischerweise ist das BCM im Fahrgast- oder Motorraum in einem Kunststoff- oder einem partiell aus Aluminium gefertigten Gehäuse angebracht. Body-Elektronik-Architekturen für die Ansteuerung von LED-Leuchten sind sehr ähnlich zu denen der Glüh- und Halogenlampen aufgebaut.

Allerdings werden für die Ansteuerung und Diagnose von LEDs »intelligentere« Lösungen direkt an der Lichtquelle, also der LED, benötigt. Diese müssen mit geregelten, konstanten Strömen angesteuert werden und haben ein ähnliches elektrisches Verhalten wie herkömmliche Dioden. Deshalb würde das Anlegen einer Spannung ohne Stromlimitierung die LED zerstören. Infineon bietet für jede Applikation »passende« intelligente Halbleiterlösungen an:

  • Basic-LED-Driver: lineare Konstantstromquelle für LEDs mit geringer bis mittlerer Helligkeit (z.B. für Rücklicht);
  • Power-LED-Driver: DC/DC-Wandler und Controller für LEDs mit hoher Helligkeit (z.B. für Tagfahrlicht);
  • LIN-LED-Driver (in Entwicklung): LED-Treiberbausteine für RGB- oder mehrfarbige Ambiente-Beleuchtung mit integrierten LIN-Transceivern für Konfiguration und Diagnose.

Der Funktionsumfang und die Komplexität des Body-Control-Moduls werden ständig größer, da immer mehr elektrische Funktionen durch das BCM realisiert werden (z.B. Ambiente-Beleuchtung). Allerdings sollten die Abmessungen des BCMs nicht vergrößert werden, da dies zu Platzproblemen im Fahrgastinnen- oder Motorraum führen würde. Diese Forderung steht im Konflikt zu den weiteren Halbleiterkomponenten, die für neue oder zusätzliche Funktionen erforderlich sind.

Außerdem wird die maximal mögliche Verlustleistung der Bausteine im BCM auch durch die Abmessungen beeinflusst, denn je größer ein Objekt ist, umso mehr Wärme kann an die Umgebung abgegeben werden. Heutzutage gibt es viele Fahrzeugplattformen, bei denen LEDs nur für einige Fahrzeugvarianten eingesetzt werden. Deshalb muss das BCM sowohl die Ansteuerung von herkömmlichen Lampenleuchten als auch LED-Leuchten unterstützen. Grundvoraussetzung dafür ist ein »intelligentes« Diagnosekonzept, welches später in diesem Artikel erläutert wird.

Neue Lichtfunktionen

Neue Lichtfunktionen wie das AFS (Adaptive Frontlighting System) fordern einen hohen Funktionsumfang sowie »Intelligenz« von der Ansteuerelektronik, auch Lichtmodul genannt. Das Lichtmodul ist normalerweise direkt in oder an der LED-Leuchte montiert, wie in Bild 2 dargestellt. Für die Realisierung der AFS-Funktionen enthält das Lichtmodul standardmäßig einen Mikrocontroller und einen System-Basis-Chip.

Folglich ist der Schritt zu einer innovativen Body-Elektronik-Architektur nur mehr klein. Mit dezentralen Lichtmodulen kann dieses alle Funktionen wie Dimmen, Diagnose oder Fail-Safe-Funktionen direkt selber durchführen. Die »Intelligenz« und Leistung der Lichtmodule steigen auf der einen Seite, auf der anderen Seite entspannen sich die oben genannten kritischen Punkte des BCMs.

Ein Systembeispiel: Eine defekte LED wird vom dezentralen Lichtmodul erkannt. Gleichzeitig wird eine andere LED im gedimmten Betrieb aktiviert, um die fehlerhafte LED sowie die zugehörige Lichtfunktion zu ersetzen. Der Fehler wird über den Kommunikationsbus (CAN oder LIN) an das BCM gemeldet. Bild 1 vergleicht die heutige Body-Elektronik-Architektur mit der angesprochenen dezentralen Architektur. Diese neue Architektur ist besonders sinnvoll bei der Verwendung von LEDs, da damit schon ein Teil der benötigten Hardware (Leiterplatten, ICs, etc.) für die dezentrale Architektur vorhanden ist.

Dezentrale Lichtmodule benötigen nur mehr wenige Anschlussleitungen: eine abgesicherte beziehungsweise geschützte Versorgungsspannungsleitung und die Bus-Leitungen für die Kommunikation mit dem BCM. Dadurch reduziert sich die Anzahl der benötigten Kabel im Fahrzeug deutlich. Außerdem verringert sich durch den kleineren Kabelbaum auch das Fahrzeuggewicht, was wiederum zur CO2-Einsparung beiträgt. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich mit »intelligenten« dezentralen Lichtmodulen zusätzliche Diagnosemöglichkeiten realisieren lassen. Zum Beispiel kann jede einzelne LED oder jeder einzelne LED-Strang überprüft werden.

Anforderungen an die Lastdiagnose

Die genaue Kenntnis über den Lastzustand ist besonders im Automobilbereich erstrebenswert, da es sich häufig um sicherheitsrelevante Anwendungen handelt. Während bei einer LED-Innenraumbeleuchtung die Sicherheitsrelevanz nicht gegeben ist, ist die Funktion von Anwendungen wie Blinker oder Stopplicht zuverlässig zu detektieren. Bild 3 zeigt eine typische Architektur, in der das BCM ein dezentrales LED-Modul über einen »PROFET+« steuert und die Lastdiagnose durchführt.

Wie schon weiter oben angeführt, ist die Ausstattung mit LEDs bei vielen Automobilherstellern eine optionale Variante, wobei das Design des BCM gleich bleiben sollte. Daraus ergibt sich die Forderung an das BCM sowohl Glühlampen als auch LEDs zu unterstützen und bei beiden Varianten für eine funktionierende Diagnose zu sorgen.

Es existieren einige sicherheitsrelevante Fehlerfälle bei Lichtanwendungen, bei denen die Nutzbarkeit des Fahrzeugs eingeschränkt wird oder sogar die Sicherheit des Benutzers in Gefahr ist.

Dies sind die häufigsten Fehlerfälle auf der Lastseite:

  • Kurzschluss: Direktverbindung zur Batterie oder Masse;
  • Lastunterbrechung: teilweiser oder totaler Ausfall des LED-Moduls beziehungsweise der Glühlampe.

Ein Kurzschluss zur Batterie stellt einen potenziell gefährlichen Fall dar, der jedoch vom Kontrollmodul leicht erkannt wird, das daraufhin die Spannungsversorgung der Last deaktiviert. Die hohe Kurzschlussfestigkeit der heute verfügbaren High-Side-Schalter in Kombination mit schnell reagierenden Mikrocontrollern bieten einen guten Schutz bei diesem Fehlerfall.

Während die Kurschlussdiagnose mittlerweile eine Standardprozedur ist, stellt die Erkennung einer Lastunterbrechung höhere Anforderungen an das System. Um Lastunterbrechungen mit der Software des Mikrocontrollers festzustellen, sind mitunter hohe Genauigkeiten in der Diagnoseschaltung nötig. Speziell bei der bereits erwähnten Unterstützung von Glühlampen und LEDs kann dies zu Problemen führen.

Tabelle 1 stellt die typischen Stromwerte von Standardlösungen und LED-Lösungen an den Beispielen Frontlicht und Blinker gegenüber. Während ein Ausfall einer einzelnen Glühlampe eine Stromänderung von mehreren Ampere auslöst, entsteht durch die Lastunterbrechung an LEDs ein wesentlich kleinerer Stromabfall. Diese Verschiebung des Strombereichs erhöht die Anforderungen an das Diagnosesystem.

Anwendung
Leistung
Laststrom
Frontlicht
55 W
5 A
LED-Frontlicht
30 W
1 A
Blinker
21 W
2,7 A
LED-Blinker
4 W
0,2 A
Tabelle 1: Vergleich von LEDs und Glühlampe

Wie bereits erwähnt, wird die Diagnose der Last durch das Zusammenspiel von High-Side-Schalter und Mikrocontroller durchgeführt. Der Mikrocontroller interpretiert dabei das analoge Stromsignal (ISense) des Schalters, das über einen Widerstand in eine Spannung (USense) umgewandelt wird.

Der so genannte kILIS-Wert gibt die Proportionalität von ISense zum Laststrom an und ist deshalb mitunter entscheidend für die Genauigkeit des Diagnosesystems. Da sich die Genauigkeit des kILIS abhängig von der Höhe des Laststroms ändert, ist der Ersatz von Glühlampen durch LEDs nicht immer trivial. Infineons PROFET+-Familie bietet High-Side-Schalter für 12 V und 24 V Bordspannung an, die dieses Problem lösen.

Ein maßgebliches Feature ist die kILIS-Genauigkeit von bis zu ±5,5%, selbst ohne Kalibrierung  (Tabelle 2). Damit lässt sich der wahlweise Einsatz von LEDs und Glühlampen (z.B. Glühlampe/LED-Blinker) voll unterstützen.

Laststrom
BTS5030-2EKA
BTS5090-2EKA
BTS5180-2EKA
0,5 A
±20 %
±16 %
±9 %
1 A
-
±10 %
±7,5 %
2 A
±8 %
±7 %
±6 %
7 A
±5,5 %
-
-
Tabelle 2: Genauigkeit von kILIS bei verschiedenen »PROFET+«-Bausteinen von Infineon

Der »BTS5090-2EKA« bietet sowohl im Laststrombereich des 21-W-Blinkers (Glühlampe) als auch für die LED-Ausführung eine Genauigkeit von unter ±16% an.

Grenzen der Diagnose

Speziell bei LED-Lasten gibt es allerdings Fälle, in denen ein Diagnosesystem am BCM an seine physikalischen Grenzen stößt. Es gibt LED-Lichtmodule, die aus mehreren LED-Strängen aufgebaut sind (siehe Bild 2) und über eine gemeinsame Leitung angesteuert werden. Fällt hier eine einzelne LED aus, wird nur ein Strang inaktiv und der Laststrom sinkt nicht auf null. Die Differenz zwischen voller Last und reduzierter Last kann hier sehr klein sein, etwa 10 mA bis 25 mA.

Solche Stromänderungen sind am BCM nicht detektierbar, da die erreichbare Systemgenauigkeit überschritten wird. Die Systemgenauigkeit ist im Wesentlichen von folgenden Faktoren abhängig:

  • Variation des nominalen Laststroms,
  • kILIS-Genauigkeit,
  • Toleranz des Sense-Widerstands,
  • ADC-Genauigkeit und
  • Leckströme.

Um trotzdem eine Lastdiagnose zu ermöglichen, kann das dezentrale Lichtmodul die gesamte Last deaktivieren oder die Diagnose erfolgt direkt am Lichtmodul (siehe Bild 2). Diese Beispiele zeigen, dass der Einsatz von LEDs im Automobilbereich neue Anforderungen an das BCM-Design und die Systemarchitektur stellt und neue Herausforderungen für die Halbleiterhersteller stellt. Mit den Lösungen, wie sie zum Beispiel Infineon bietet, steht den vielversprechenden LED-Anwendungen nichts im Wege.

Über die Autoren:

Herbert Hopfgartner ist als Application Engineer und Systemexperte für Automotive-LED-Treiber zuständig, Stefan Stögner ist im Application Engineering für die Produktgruppe PROFET zuständig, beide bei Infineon Technologies.