Schwerpunkte

Ansteuerung von LEDs

Moderne Beleuchtungslösungen für Automobilanwendungen

25. Juni 2020, 06:56 Uhr   |  Engelbert Hopf

Moderne Beleuchtungslösungen für Automobilanwendungen
© Rohm Semiconductor

Bei Scheinwerfern und Rückleuchten kommen vermehrt Produkte zur automatischen Fahrlichtsteuerung zum Einsatz. Die besondere Herausforderung an Treiber-ICs lautet dabei, geringe Leistungsaufnahme, hohe Zuverlässigkeit und niedrige Kosten in einem Produkt zu vereinen. 

Durch die Umstellung der Fahrzeugbeleuchtungen von Glühbirnen auf LEDs wurde der Einsatz kleinerer, dünnerer Lichtquellen möglich, welche dem Hersteller mehr Flexibilität beim Lampendesign ermöglichen. Um das Design zu verbessern, muss sowohl die Leistung der LEDs erhöht als auch die Stromaufnahme der Schaltung zur LED-Ansteuerung und deren Abmessungen reduziert werden. Zudem ist eine längere Lebensdauer erforderlich. Im Gegensatz zu Glühbirnen, die oft nach einer bestimmten Zeit ausfallen und leicht ausgewechselt werden können, ist der Austausch von LEDs problematisch, denn diese sind oft in der Steuereinheit integriert. Da bei LEDs tendenziell nicht mit einem Ausfall gerechnet wird, ist eine hohe Zuverlässigkeit auf der Komponentenseite erforderlich.

Der Unterschied zwischen Widerstands- und Treiber-IC-Schaltungen

Zur Ansteuerung von LEDs werden aus Kostengründen üblicherweise Widerstandsschaltungen verwendet. Damit lassen sich LEDs auf ähnlich einfache Weise wie herkömmliche Glühbirnen ansteuern, das hat niedrigere Kosten zur Folge. Zu den Nachteilen von Widerstandsschaltungen gehören jedoch eine geringere Effizienz aufgrund des Wärmeverlustes der Schaltung und dass sie ausgefallene LEDs nicht identifizieren können. Im Gegensatz dazu bieten Schaltungen mit LED-Treiber-ICs eine Reihe von Vorteilen wie die geringere Stromaufnahme und die hohe Zuverlässigkeit durch integrierte Schutzschaltungen, die LED-Ausfälle erkennen. Nachfolgend werden die Unterschiede beschrieben:

1. Leistungsaufnahme
Widerstands- und LED-Treiberschaltungen verwenden sehr unterschiedliche Methoden zur Steuerung des LED-Stroms, wenn die Batteriespannung steigt (das heißt, die Spannungsversorgung am Eingang der Treiberschaltung). Bei einer Widerstandsschaltung steigt der LED-Strom mit steigender Batteriespannung an. Im Gegensatz dazu ist bei einer LED-Treiberschaltungen selbst bei steigender Batteriespannung eine Ansteuerung mit konstantem Strom mit einem voreingestellten Wert möglich. Wenn zum Beispiel bei einer Batteriespannung von 13 V der Stromwert für jede Schaltung angepasst wird, verbrauchen LED-Treiber-ICs 50 Prozent weniger Strom als Widerstandsschaltungen. Deshalb bieten LED-Treiber-IC-Schaltungen bezüglich des Leistungsaufnahme Vorteile, wie im folgenden Bild dargestellt. 

Vergleich der Leistungsaufnahme-Charakteristika.
© Rohm Semiconductor

Vergleich der Leistungsaufnahme-Charakteristika.

2. Zuverlässigkeit
LED-Treiber-IC-Schaltungen sind aber auch im Hinblick auf die Zuverlässigkeit vorteilhaft. Dies liegt an der kleineren Anzahl der verwendeten Bauteile und damit der geringeren Wahrscheinlichkeit eines Komponentenausfalls auf der Steuerplatine. LED-Treiber-ICs können Fehler wie offene Eingänge oder Kurzschlüsse identifizieren und melden. Dadurch lassen sich unsichere Zustände wie Helligkeitsabfälle der LEDs aufgrund eines instabilen Betriebs frühzeitig erkennen und entsprechende Maßnahmen ergreifen.

3. Kosten
Widerstandsschaltungen sind im Allgemeinen kosteneffizienter. Im ersten Bild ist eine typische Widerstandsschaltung dargestellt. Diese benötigt für die Ansteuerung von neun LEDs (drei LED-Reihen mit drei LEDs in jeder Reihe, etwa 150 mA/Reihe) mindestens zehn Ein-Watt-Widerstände. Eine LED-Treiber-IC-Schaltung erfordert je nach Gehäuse hingegen nur vier ICs. Die Kosten steigen also, je mehr Bauteile in Widerstandsschaltungen verwendet werden. Kosten, die sich durch den Einsatz mehrerer Hochleistungswiderstände, die viel billiger als ICs sind, erheblich senken lassen. Umgekehrt werden bei steigender Anzahl von LEDs mehr LED-Treiber-ICs benötigt, was zu höheren Kosten im Vergleich zu Widerstandsschaltungen führt.
Konventionelle Widerstands- und LED-Treiber-IC-Schaltungen erfüllen also entweder die Anforderungen an geringe Leistungsaufnahme, hohe Zuverlässigkeit oder niedrige Kosten. Um eine weite Verbreitung von LED-Leuchten zu unterstützen, ist es daher notwendig, einen LED-Treiber-IC zu entwickeln, der diese drei Anforderungen erfüllt.

LED-Treiber-ICs für vielfältige Anwendungen

Rohm bietet eine Reihe von Produkten und Technologien für die LED-Beleuchtung von Autos und Motorrädern. So reicht das Spektrum von LED-Treiber-ICs für Tachometer und Blinker über LED-Treiber-ICs mit weißer Hintergrundbeleuchtung für LCD-Armaturenbretter, bis hin zu LED-Treiber-ICs für Scheinwerfer und Rückleuchten. 

Mit der BD183x7EFVM-Serie (BD18337EFV-M/BD18347EFV-M) hat Rohm Vier-Kanal-LED-Treiber-ICs entwickelt, die eine neue Methode zur Energieverteilung (Energy Sharing) verwenden. Bei dieser Methode wird die Leistungsaufnahme aus dem Inneren des LED-Treiber-ICs auf externe Widerstände verteilt. Besonders geeignet sind diese Treiber-ICs für LED-Leuchten in Kraftfahrzeuganwendungen wie Brems-/Rücklichter, Nebelscheinwerfer, Blinker und Ähnlichem. 

Technische Details zur BD183x7EFVM-Serie

Die drei- und zweistufigen ICs benötigen eine Versorgungsspannung von 5,5 bis 20 V. Sie haben eine Spannungsfestigkeit von 40 V und zeichnen sich durch einen hohen Ausgangsstrom 150 mA/Kanal aus. Die Genauigkeit der LED-Ansteuerung ist mit ±5 Prozent spezifiziert. Untergebracht im kompakten HTSSOP-B16-Gehäuse mit Abmessungen von 5,00 x 6,40 x 1,0 mm arbeiten sie im Temperaturbereich von –40 bis +125 °C. 

Eine spezielle Wärmeableitung vereinfacht das gesamte thermische Design und reduziert den Konstruktionsaufwand. Ein weiterer Vorteil ist das individuelle oder kollektive Ansteuern von LEDs im Fehlerfall. Damit erfüllt die BD183x7EFV-M-Serie die für Motorräder geltenden Normen zur Kennzeichenbeleuchtung. Eine unabhängige Dimmfunktion ermöglicht durch sequenzielle Beleuchtung eine größere Designvielfalt. Zudem gibt es Funktionen zum Schutz des LED-Treibers und der peripheren Schaltungen. 

Allgemeiner LED-Treiber-IC und seine Charakteristiken.
© Rohm Semiconductor

Allgemeiner LED-Treiber-IC und seine Charakteristiken.

Den Stromverbrauch von LED-Treiber-IC reduzieren

Nachfolgendes Bild zeigt einen allgemeinen Treiber-IC. Dieser besteht aus einem konstanten Stromkreis, der die LEDs mit Strom versorgt, einem Eingang, der an die Batteriestromversorgung angeschlossen wird, und einem Ausgang, der mit den LEDs verbunden wird. Wenn die Eingangsspannung an Stromversorgung A, die mit der Batterie verbunden ist, bis zu einem gewissen Grad ansteigt, kann der konstante Stromkreis innerhalb des LED-Treiber-ICs einen kontinuierlichen LED-Strom liefern. Dadurch entspricht die Spannung an den Ausgangsklemmen der Vorwärtsspannungscharakteristik der angeschlossenen LEDs.

Die Leistungsaufnahme des LED-Treiber-ICs ist das Produkt aus der Spannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausgang des konstanten Stromkreises und des LED-Stroms. Deshalb wird die Leistungsaufnahme mit steigender Eingangsspannung der Batterie zunehmen. Um die Leistungsaufnahme des LED-Treiber-ICs zu verringern, ist es notwendig, entweder die Spannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausgang des konstanten Stromkreises oder den LED-Strom zu reduzieren. Kundenanforderungen und andere Faktoren erschweren jedoch eine Änderung des LED-Stroms. Daher entwickelte Rohm eine Methode, um die Spannung zwischen Eingang und Ausgang des konstanten Stromkreises zu steuern.

Energieverteilungssteuerung senkt Kosten

In der nächsten Grafik ist Rohms neue Energieverteilungs-Steuerungsmethode dargestellt, die durch die Reduzierung der Leistungsaufnahme der LED-Treiber-ICs die Kosten senkt. Dabei wird die Spannung zwischen Ein- und Ausgang des konstanten Stromkreises gesteuert, indem ein Teil des LED-Stroms durch den externen Widerstand des LED-Treiber-ICs geleitet und so die Wärmeentwicklung verringert wird. Um die Stromversorgung A auf eine konstante Spannung zu regeln, überwacht ein neu hinzugefügter Block die Spannung am Ausgangs-Pin. Der durch den Widerstand fließende Strom wird durch den externen Widerstand R und die Spannungsdifferenz zwischen der an beiden Enden des Widerstandes erzeugten Batteriespannung und der Spannung der Stromversorgung A (Batteriespannung – Spannung der Stromversorgung A) dargestellt. Die Spannung der Stromversorgung A wird auf einen konstanten Wert geregelt, indem der Strom durch den Widerstand bei steigender Batteriespannung erhöht wird.

Mit Hilfe dieser Steuerungsmethode nimmt der externe Widerstand R den größten Teil der zuvor vom LED-Treiber-IC aufgenommenen Leistung auf. Dies reduziert die Leistungsaufnahme des LED-Treiber-IC gegenüber herkömmlichen Lösungen um etwa 75 Prozent. Durch Aufteilung der Leistungsaufnahme zwischen LED-Treiber und externem Widerstand lässt sich die von vier konventionellen ICs aufgenommene Leistung nun mit einem einzigen IC und einem Hochleistungswiderstand bewältigen. Realisiert hat Rohm diese Funktion durch einen zusätzlichen Eingangs-Pin, der einem herkömmlichen LED-Treiber-IC einfach hinzugefügt wird.

Charakteristiken des LED-Treiber-ICs von Rohm Semiconductor.
© Rohm Semiconductor

Charakteristiken des LED-Treiber-ICs von Rohm Semiconductor.

Obwohl Schaltungen mit Rohms neue LED-Treiber-IC etwas teurer sind als Widerstandsschaltungen, lassen sich damit gegenüber herkömmlichen LED-Treiberschaltungen etwa 40 Prozent der Kosten einsparen. Durch die Kopplung mit einem externen Widerstand ergibt sich neben dem geringeren Stromverbrauch und der höheren Zuverlässigkeit auch eine Kostenersparnis auf dem Niveau von Widerstandsschaltungen. ROHM realisiert diese Funktion, indem einem herkömmlichen LED-Treiber-IC einfach ein zusätzlicher Eingangs-Pin hinzugefügt wird. Dieser IC deckt die meisten der erforderlichen Funktionen ab.

Weitere Entwicklungen

Angesichts der Verbreitung und dem Fortschritt des autonomen Fahrens wird die Fahrzeugbeleuchtung wahrscheinlich nicht nur eine Rolle spielen, um die Scheinwerfer eines Fahrzeugs im dunklen einzuschalten und den Fahrer durch Bremslichter zu warnen, sondern auch um über Fahrzeugzustände zu informieren. Die Lösung sind LED-Treiber-ICs, die durch eine dynamische Ansteuerung von Lichtquellen Informationen nach außen übermitteln.

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