Wirkungsgrad von Automobil-Beleuchtungen Alles im Blick

Gesamtwirkungsgrad der Schaltung

Diese Berechnungen lassen erkennen, dass in zweistufigen LED-Treiberschaltungen, in denen der Konstantstromregler auf einer geschalteten Buck-Topologie basiert, nahezu keine Wirkungsgradsteigerung durch die adaptive Pre-Boost-Regelung entsteht, wenn man die Änderungen der Vorwärtsspannungen der LEDs berücksichtigt.

Überlegungen für eine höhere Schaltfrequenz

In den Analysen aus den vorherigen Abschnitten war die Schaltfrequenz beider Regler stets auf 450 kHz angesetzt. In Systemen mit einer höheren Schaltfrequenz von beispielsweise 2.200 kHz dagegen sorgt die Pre-Boost-Regelung für eine größere Wirkungsgradverbesserung, denn die Pre-Boost-Spannung und die Schaltfrequenz gehen bei beiden Reglern in die Berechnung der Schaltverluste ein.

Die Pre-Boost-Reglerschaltung

Bild 5 zeigt eine exemplarische Konfiguration einer adaptiven Pre-Boost-Reglerschaltung. Die Schaltung misst die Boost-Spannung und die Spannung am LED-String. Anhand der Differenz zwischen diesen beiden Spannungen – diese entspricht im Prinzip dem Spannungsabfall am Konstantstromregler – verändert der in den Rückkopplungsknoten des Aufwärtsreglers injizierte Strom die Boost-Spannung abhängig von der Gesamt-F des LED-Strings.

Mithilfe unterschiedlicher Verhältnisse des eingangsseitigen Widerstandsteilers lässt sich ein bestimmtes Offset zwischen der Pre-Boost-Spannung und der LED-Treiberspannung einstellen. R1 und R4 legen die Verstärkung fest, und R5 in Verbindung mit dem Rückkopplungsteiler des Boost-Spannungsreglers bestimmt die Höhe des eingespeisten Stroms. Die Bandbreite schließlich wird durch C1 und C2 bestimmt. Das ist wichtig, wenn ein Design ein Dimmen per Pulsbreitenmodulation erfordert. Die Ansprecheigenschaften der adaptiven Pre-Boost-Regelungsschaltung müssen langsamer eingestellt werden als die des Pre-Boost-Spannungsreglers.
Das Referenz-Design für einen zweistufigen 50-W-LED-Treiber mit adaptiver Pre-Boost-Regelung für Kfz-Scheinwerfer [5] enthält weitere Einzelheiten und Testergebnisse.

Ergebnis

Die adaptive Pre-Boost-Regelung bewirkt eine klare Verbesserung des Wirkungsgrads von zweistufigen LED-Treiberschaltungen mit linearen Konstantstromreglern. Basiert der Konstantstromregler dagegen auf einer geschalteten Abwärtstopologie, verbessert sich die Effizienz jedoch kaum. Für Systeme mit hohen Schaltfrequenzen bieten Pre-Boost-Regelungsschaltungen allerdings durchaus gewisse Vorteile.

 

Literatur

[1] James Patterson: „LED Driver Electronics Enhance Headlight Style, Safety and Reliability,” Electronic Design, 17. März 2015.
[2] Alihossein Sepahvand, Montu Doshi, Vahid Yousefzadeh, James Patterson, Khurram K. Afridi und Dragan Maksimovic: „Automotive LED Driver Based On High Frequency Zero Voltage Switching Integrated Magnetics Cuk Converter,” Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2016.
[3] David Baba: „Under the Hood of a Multiphase Synchronous Rectified Boost Converter,” Power Supply Design Seminar SEM2100 (SLUP323), 2014.
[4] „Power Stage Designer™ User’s Guide” Texas Instruments SLVUBB4A, Februar 2018.
[5] „50W Dual-Stage LED Driver Reference Design with Adaptive Pre-Boost Control for Automotive Headlights,” TI Designs Referenzdesign (TIDA-01520).

 

Die Autoren

 

Michael Helmlinger

ist Systemingenieur bei Texas Instruments im Team Automotive Body Electronics and Lighting mit fünf Jahren Erfahrung im analogen Power Design. Er arbeitet an verschiedenen Arten von Endgeräten im Bereich der Karosserieelektronik, insbesondere der Automobilbeleuchtung, und erstellt und testet Referenzdesigns für Automobilhersteller.

 

 

Arun Vemuri

ist Sektor-General Manager für Karosserieelektronik und Beleuchtung bei Texas Instruments. Arun leitet dort ein weltweites Team von Systemingenieuren und verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von Systemlösungen für Automobilanwendungen.