Spannungswandler für Frontscheinwerfer 2 MHz für weniger Störausstrahlung

Frontscheinwerfer erzeugen verschiedene Lichtbilder und stellen damit unterschiedliche Anforderungen an den Treiber-IC. Der muss einen großen Leistungsbereich abdecken, verschiedene Betriebszustände bereitstellen und Dimmfunktionen unterstützen. Anspruchsvoll ist das Einhalten der EMV-Anforderungen.

LED-Fahrzeugscheinwerfer sind sehr vielseitig. Die Leuchten für Auf- und Abblendlicht, Tagfahrlicht sowie Blink- und Positionslicht sind meist auf einem gemeinsamen Träger als Cluster angeordnet. Die unterschiedlichen Lichtfunktionen werden über verschiedene LED-Stränge umgesetzt, die zu- und abgeschaltet werden können. Entsprechend können die LEDs auf einem Cluster je nach Spannungs- und Strombedarf, Topologie und Leistungspegel völlig unterschiedliche Anforderungen an die Treiber stellen. Dimmfunktionen erhöhen die Komplexität noch weiter.

Um das Anforderungsspektrum zu erfüllen, sind normalerweise mehrere Treiber-Konzepte erforderlich. Das erhöht die Anzahl der Bauteile auf der Stückliste (Bill of Materials, BOM) oder erfordert komplexere und damit teurere Bauteile. Außerdem erschwert es die Produktion und kann Schwierigkeiten beim Erfüllen der EMV-Standards mitbringen. Jeder zusätzliche Treiber bringt hochfrequente Signale in den Mix der Störausstrahlung ein, verkompliziert die EMV-Qualifizierung und die Fehlersuche.

Obwohl Scheinwerfer-Cluster für jede Automarke und jedes Modell Bauteile für eine Vielzahl von LED-Strömen und Spannungen enthalten können, ist die Gesamtleistung im Allgemeinen auf 30 W begrenzt. Vor diesem Hintergrund sollte es eigentlich eine Reihe von Treibern geben, die die Anforderungen an elektrische Leistungsaufnahme und den für die Automobilbranche notwendigen Funktionsumfang für die verschiedenen LED-Stränge im Cluster erfüllen. Doch die gibt es aktuell nicht.

Ein solcher LED-Treiber muss den relativ großen Spannungsbereich der Autobatterie nutzen und als Auf-/Abwärtswandler ausgelegt sein, um die verschiedenen Strangspannungen zu erzeugen. Er muss kompakt und vielseitig sein, damit der Entwickler ihn in den beengten Platzverhältnissen im Cluster unterbringen kann. Eine geringe Störaussendung muss gewährleistet sein, um den Entwicklungsaufwand zu minimieren und dabei ohne kostspielige EMV-Gehäuse mit Metallabschirmung auskommen zu können. Und letztlich sollte der LED-Treiber einen hohen Wirkungsgrad haben.

Der Auf/Abwärts-Regler LT8391A von Analog Devices erfüllt diese Anforderungen. Mit einem Regler kann den gesamten Scheinwerfer-Cluster und mehr betrieben werden.

Synchroner 2-MHz-Controller mit geringer Störausstrahlung

Es ist der erste 2-MHz-Auf/Abwärts-Regler seiner Art für die LED-Stromregelung. Durch die hohe Schaltfrequenz fällt die Induktivität kleiner aus, was insgesamt Platz auf der Leiterplatte spart. Gegenüber monolithischen Wandlern, die im IC-Gehäuse integrierte Leistungsschalter enthalten, kann der LT8391A externe Leistungsschalter mit höheren Spitzenströmen bis zum Beispiel 10 A treiben. Derart hohe Ströme würden die kleinen IC-Gehäuse typischer integrierter Wandler thermisch überfordern.

Ein Regler mit externen, 3 × 3 mm2 großen Synchron-MOSFETs kann deutlich mehr Leistung liefern. Diese MOSFETs können zur Minderung der Störausstrahlung zusammen mit Hot-Loop-Kon­densatoren dicht auf der Leiterplatte angeordnet werden. Die Architektur des Strommessverstärkers, der den Scheitelwert des Schalterstromes erfasst, sieht den Messwiderstand direkt neben der Induktivität vor. Damit liegt er außerhalb der für die Störausstrahlung kritischen Stromschleifen an Ein- und Ausgang. Mit optionaler Frequenzspreizung (Spread Spektrum Frequency Modulation, SSFM) lässt sich die Störausstrahlung des Reglers weiter vermindern.

Das Schaltbild eines LED-Treibers mit LT8391A ist in Bild 1 (alle Bilder des Artikels am Ende in der Bildergalerie) gezeigt. Er stellt am Ausgang 24 W (16 V bei 1,5 A) bereit und erreicht einen Wirkungsgrad von 93% mit EMV-Filtern und Gate-Widerständen (Bild 2). Ohne diese optionalen Bauteile steigt der Wirkungsgrad um 1 bis 2 %.

Zusammen mit den 3 mm × 3 mm großen MOSFETs und einer einzigen Induktivität mit hoher Leistung steigt die Temperatur für diesen Wandler auch bei 24 W Leistung nur gering. Bei einer Eingangsspannung von 12 V erwärmt sich kein Bauteil um mehr als 25 ºC über die Umgebungstemperatur. Bei 6 V erwärmt sich das heißeste Bauteil um weniger als 50 ºC, falls eine vierlagige Leiterplatte ohne Kühlkörper oder Lüfter verwendet wird. Die Schaltung läuft auch bei Eingangstransienten mit voller 24-W-Last bis hinunter auf 4,3 V; alternativ mit reduziertem Laststrom via Analog- oder PWM-Dimmung, wenn die Eingangsspannung für längere Zeit absinkt. Der 8- bis 10-A-Messwiderstand macht diese hohe Leistung bei niedriger Eingangsspannung UIN möglich.

Der Auf-/Abwärtswandler regelt Strom durch einen LED-Strang, dessen Spannung im oder auch außerhalb des Bereichs der Eingangsspannung liegen kann, zum Beispiel 9 bis 16 V bei einer Autobatterie oder 18 bis 32 V bei einer LKW-Batterie. Die Eingangsspannung darf bei Kaltstarts bis auf 4 V absinken. Kurze Spannungsspitzen von bis zu 60 V am Eingang übersteht die Schaltung schadlos. Das PWM-Dimmungsverhältnis beträgt bis zu 2.000:1 bei 120 Hz. Ein interner PWM-Generator, der ohne externes Taktsignal auskommt, ermöglicht eine genaue Dimmung im Verhältnis 128:1.

CISPR 25 Klasse 5: Automobilkonforme Störausstrahlung

Der LED-Treiber in Bild 1 wurde für Automobil-Frontscheinwerfer entwickelt und nutzt nach AEC-Q100 qualifizierte Bauteile. Obwohl Leistung und Schaltfrequenz hoch sind, erfüllt er die Norm CISPR 25 Klasse 5 für abgestrahlte elektromagnetische Störausstrahlung. Mit 2 MHz Schaltfrequenz liegt der Arbeitsbereich außerdem oberhalb des AM-Bands.

Die Klasse 5 stellt die strengsten Anforderungen und ist das geforderte Ziel für die meisten Automotive-EMV-Tests. Wandler, die diese Norm nicht erfüllen, müssen zur Schirmung in Metallgehäusen untergebracht werden. Das kann neben zusätzlichen Kosten auch zu Bestückungsproblemen führen.

Die hohen EMV-Anforderungen im Automobilumfeld lassen sich durch Hochleistungswandler nur schwer erfüllen. Die dafür notwendigen Leistungsschalter und Induktivitäten, platziert neben großen Kondensatoren, können unerwünschte Hot Loops erzeugen, speziell wenn die Schaltung einen großen Messwiderstand enthält. Die Architektur des LT8391A kommt ohne Messwiderstand an den kritischen Stellen des Aufwärts-/Abwärts-Schaltpaares aus. Die gemessene Störausstrahlung (feldgebunden) des 24-W-LED-Treibers ist in Bild 3 gezeigt, die leitungsgebundene Störung in Bild 4.

Abblend-, Fern- und Tagfahrlicht mit einem Treiber umsetzen

Automobilhersteller nutzen die LED-Cluster im Frontscheinwerfer, um sich durch Optik oder auch durch technische Innovation von Konkurrenzprodukten zu differenzieren. Sie ergänzen das Fern- und Abblendlicht mit einem markanten Tagfahrlicht (Daylight Running Light, DRL). Da das Tagfahrlicht nur bei abgeschaltetem Fern- und Abblendlicht benötigt wird, kann für die Stromversorgung zwischen beiden hin- und hergeschaltet werden. Das ist mit einem einzigen LED-Treiber möglich, allerdings nur dann, wenn der ein flexibles Ein-/Ausgangsverhältnis bietet und die Ausgangsspannung auf- und abwärtsregeln kann. Es wird also eine Ab-/Aufwärtswandler-Schaltung benötigt.

Eine solche ist in Bild 5 gezeigt. Die Spannung an einem LED-Strang kann zwischen 3 und 34 V liegen. Über die variable Spannung im Strang versorgt der Treiber einige LEDs für das Abblendlicht, zu denen für das Fernlicht weitere LEDs zugeschaltet werden. Für das Tagfahrlicht schaltet der gleiche Treiber um und treibt eine höhere Spannung mit geringerem Strom.

Beim Einschalten des Fernlichts, also beim Zuschalten von LEDs auf den Strang für das Abblendlicht, erzeugt der Treiber keine Strom- oder Spannungsspitzen am Ausgang (Bild 6a). In der Regel ist dieser Vorgang für Wandler eine Herausforderung. Der Abschaltvorgang ist mit der Treiber-Schaltung ebenfalls frei von Lastspitzen möglich (Bild 6b). Dasselbe gilt beim Wechsel zum zweiten Strang für das Tagfahrlicht und wieder zurück. Bild 6c zeigt den Strom- und Spannungsverlauf, wenn das Abblendlicht abgeschaltet und das Tagfahrlicht mit dem Ausgangskondensator verbunden wird. Der LED-Strom reduziert sich reibungslos von 1 A (Fern- und Abblendlicht) auf 700 mA (Tagfahrlicht mit acht LEDs). Andere Signal-LEDs können hinzugefügt werden. Das Tagfahrlicht kann außerdem als blinkendes Signallicht pulsierend angesteuert werden. Bild 6d zeigt, wie das Tagfahrlicht mit dem internen PWM-Generator gedimmt und beim Einbruch der Dunkelheit auf Abblendlicht umgeschaltet wird.

Automotive-Umgebungen verlangen angesichts von Kurzschlüssen und offenen LED-Verbindungen widerstandsfähige Treiber-Schaltungen. Kurzgeschlossene und unterbrochene Verbindungen werden von der Multi-Beam-Lösung in Bild 5 sicher beherrscht und über das Fehlerflag des Wandlers gemeldet.

Kompakte Treiberschaltung als Demoboard

Den LT8391A gibt es im 4 × 5 mm2 großen 28-poligen QFN-Gehäuse für Entwicklungen mit geringem Platzangebot sowie im 28-poligen TSSOP-FE-Gehäuse für Automotive-Designs. Beide Gehäusetypen enthalten thermisch verbesserte GND-Pads zum Abführen der Verlustleistung des internen Low-Drop-Spannungsreglers (LDO) bei höheren Spannungen.

Der interne LDO-Regler dieser Konverter kann vier synchrone MOSFETs bei 2 MHz mit einer Gate-Ladung von etwa 15 nC treiben. Bild 7 zeigt die geringen Abmessungen des Demoboards DC2575A mit dem für 16 V und 1,5 A ausgelegten LT8391A. Für diese vielseitige Applikation ist nur eine 5mm × 5mm große Induktivität erforderlich.

Bilder: 8

Die Bilder des Artikels im Überblick

Gleichspannungswandler für LED-Frontscheinwerfer

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