Wirkungsgrad von Automobil-Beleuchtungen Alles im Blick

Mit konstanten Strom und einem LED-Treiber lässt sich eine zweistufige LED-Treiberschalterung im Gesamtwirkungsgrad steigern.
Mit konstanten Strom und einem LED-Treiber lässt sich eine zweistufige LED-Treiberschalterung im Gesamtwirkungsgrad steigern.

LED-Beleuchtungen werden im Automobilbereich immer beliebter. Die LED-Ansteuerung in solchen Anwendungen erfolgt mit einem LED-Treiber, der für einen konstanten Strom in den LEDs sorgt. Lässt sich mit einem Aufwärtsregler in einer zweistufigen LED-Treiberschaltung der Gesamtwirkungsgrad steigern?

Als Folge der komplexen Design-Anforderungen gibt es inzwischen eine umfangreiche Auswahl an LED-Treiberschaltungen [1, 2], die sich in lineare und geschaltete LED-Treiber untergliedern und verschiedene Systemanforderungen erfüllen, wie die Forderung nach einer hohen Spannung zum Ansteuern eines langen LED-Strings oder nach genauer und stabiler Stromregelung. LED-Treiberschaltungen enthalten außerdem Vorkehrungen zur Unterdrückung elektromagnetischer Störemissionen, zum Erreichen guter thermischer Eigenschaften und zur Steigerung des allgemeinen Wirkungsgrads. Weitere Funktionen schützen die LEDs per Thermal-Foldback vor Schäden, übernehmen die Dimmung oder sorgen für ausgeglichene Stromstärken [3].
Ein wichtiger Aspekt im Zusammenhang mit LED-Treibern ist deren Wirkungsgrad, gemäß Gleichung 1. Und eine bei LED-Treibern häufig anzutreffende Topologie ist die zweistufige Schaltung. Während die erste Stufe die Spannung hochsetzt, fungiert die zweite als Konstantstromregler.

Ein- und zweistufige LED-Treiberschaltungen

Zum Ansteuern von LEDs gibt es zwei gängige Architekturen, die einstufigen und die zweistufigen LED-Treiberschaltungen. Bild 1 zeigt die Blockschaltung einer einstufigen LED-Treiberschaltung, bei der der LED-Treiber direkt an das Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossen ist. Abhängig davon, wie viele LEDs der String enthält und wie hoch der Strom im String ist, kann der Konstantstromregler auf einer linearen oder geschalteten Treiberschaltung beruhen.

Die Blockschaltung einer zweistufigen LED-Treiberschaltung ist in Bild 2 zu sehen. Dort ist der Konstantstromregler, der den Strom für den LED-String erzeugt, nicht direkt mit dem Fahrzeugbordnetz verbunden, sondern an den Ausgang eines Spannungsreglers angeschlossen, der seinerseits aus dem Bordnetz gespeist wird.

Für einen linearen Konstantstromregler kann der vorgeschaltete Spannungsregler auf einer Abwärts-, Aufwärts- oder Abwärts-Aufwärtstopologie basieren. Im Fall eines geschalteten Konstantstromreglers ergibt jedoch nur ein vorgeschalteter Aufwärtsregler einen Sinn. Zwingend erforderlich ist eine Aufwärtstopologie immer dann, wenn die Vorwärtsspannung des gesamten LED-Strings höher ist als die Mindest-Versorgungsspannung am Eingang.

Die adaptive Pre-Boost-Regelung

Die Spannung am Ausgang eines Konstantstromreglers hängt von der LED-Farbe (in Automotive-Anwendungen typisch weiß, rot oder Bernstein) und den Vorwärtsspannungs-Eigenschaften der LEDs ab. Ändert sich die LED-Anzahl um N, so ändert sich die Spannung am Ausgang des Konstantstromreglers um N x VF , also abhängig von der Vorwärtsspannung der einzelnen LEDs.

Obwohl sich die Ausgangsspannung des Konstantstromreglers ändert, lässt sich die Ausgangsspannung des vorgelagerten Aufwärtsreglers konstant halten. Wenn in diesem Szenario die Ausgangsspannung des Konstantstromreglers sinkt, nimmt die Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung des Reglers zu. Handelt es sich bei dem Konstantstromregler um einen Linearregler, steigt die Verlustleistung an, was den Gesamtwirkungsgrad unter Umständen verschlechtert.

Alternativ kommt eine Rückkopplung in Frage, mit der sich die Ausgangsspannung des vorgeschalteten Aufwärtsreglers abhängig vom Ausgang des Konstantstromreglers verändern lässt.

Bild 3 zeigt eine solche Anordnung. Wie zu sehen ist, wird dem vorgeschalteten Aufwärtsregler eine Information über den Spannungsabfall am Konstantstromregler zugeführt.

Mit diesem Rückkopplungsmechanismus wird erreicht, dass die Ausgangsspannung des Aufwärtsreglers zurückxxgeht, wenn die Ausgangsspannung des Konstantstromreglers sinkt. Die Spannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausgang des Reglers bleibt also gleich, auch wenn sich seine Ausgangsspannung ändert.
Die weiteren Abschnitte dieses Artikels befassen sich damit, wie sich die Pre-Boost-Regelung auf den Wirkungsgrad von LED-Treiberschaltungen auswirkt.

 

Wirkungsgradverbesserung für den linearen Konstantstromregler

Lineare Stromregler wie der TPS92610-Q1 von TI dienen als Treiber für LEDs, die geringe Ströme benötigen – zum Beispiel für die Heckleuchten eines Autos. Um eine Aussage über die Auswirkungen eines Pre-Boost-Reglers auf die Effizienz einer kompletten LED-Treiberschaltung zu bekommen, muss ein Vergleich zwischen einer Lösung mit Pre-Boost-Regler und einer Schaltung ohne einen derartigen Regler angestellt werden. Dieser Vergleich wird mit einer weißen Osram-LED vorgenommen, deren elektrische Kenndaten in Tabelle 1 aufgeführt sind.

Zunächst zur LED-Treiberschaltung ohne Pre-Boost-Regelung: Die Designer von LED-Treiberschaltungen wählen die Ausgangsspannung des Spannungsreglers so, dass sie der Summe aus der im ungünstigsten Fall zu erwartenden Vorwärtsspannung des LED-Strings und der im ungünstigsten Fall zu erwartenden Dropout-Spannung des linearen Konstantstromreglers entspricht. Für letztere wird ein Wert von 1 V angenommen. Setzt man die Ausgangsspannung des linearen Konstantstromreglers nach dieser Methode an, ist das Anlaufen der Schaltung unter allen Umständen gewährleistet. Mit den in Tabelle 1 angegebenen Parametern für die LEDs und den linearen LED-Treiber ergibt sich dabei gemäß Gleichung 2 eine Pre-Boost-Spannung von 29 V.

Wie ist es aber bei einer LED-Treiberschaltung mit adaptiver Pre-Boost-Regelung, bei der der Spannungsabfall am linearen Konstantstromregler auf einen festen Wert von wiederum 1 V eingestellt werden kann? Im ungünstigsten Fall – wenn sämtliche LEDs die minimale Vorwärtsspannung aufweisen – wird die Pre-Boost-Spannung auf 21 V geregelt, wie aus Gleichung 3 zu entnehmen ist.

Ist die Pre-Boost-Spannung festgelegt, lässt sich der Wirkungsgrad der Kombination aus vorgeschaltetem Spannungsregler und linearem Konstantstromregler ermitteln.

Wirkungsgrad des Pre-Boost-Spannungsreglers

Zur Berechnung der Effizienz des vorgeschalteten Spannungsreglers werden die in Tabelle 2 gezeigten elektrischen Parameter herangezogen.

Damit sich der Gesamtwirkungsgrad berechnen lässt, wurden mit den Gleichungen 3 und 4 die Verluste im Spannungsregler berechnet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 zu sehen.

 

Wirkungsgrad des Pre-Boost-Spannungsreglers

Bilder: 3

Wirkungsgrad des Pre-Boost-Spannungsreglers, Tabellen 2, 3 , Gleichung 4, 5

Wirkungsgrad des Pre-Boost-Spannungsreglers, Tabellen 2, 3,Gleichung 4 und 5

Die Verluste in der Spule bleiben unberücksichtigt, da sie sehr materialabhängig sind. Auf Basis der Werte in Tabelle 3 beträgt der Wirkungsgrad des Boost-Spannungsregler ohne Pre-Boost-Regelung 93,0 Prozent (siehe Gleichung 4) und mit Pre-Boost-Regelung 92,6 Prozent (Gleichung 5).