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Beleuchtung im Automobil

LED-Controller sorgt für die richtige Erleuchtung

2. März 2020, 14:16 Uhr | Dr. Nazzareno Rossetti und Yin Wu

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Synchroner High-Power-Buck-Boost-LED-Treiber

Eine ideale Lösung erfüllt die Anforderungen an einen übergangslosen Buck-Boost-Betrieb und kurze Einschwingzeiten. Der in Bild 2 dargestellte LED-Controller ermöglicht eine solche Lösung. Normalerweise wird die Diodenreihe direkt an VOUT angeschlossen. Der IC integriert einen dimmbaren High-Side-P-Kanal-Mosfet-Treiber für PWM-Dimm-Anwendungen (DIMOUT), die eine Stromversorgung mit PWM-Dimm-Funktionalität benötigen.

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Tabelle 1 zeigt den Buck-Boost-Betrieb im Buck- und Boost-Modus (Step-down- beziehungsweise Step-up-Modus). Wenn VIN>VOUT regelt der IC im Buck-Modus, wobei N1 und N2 synchron schalten. Wenn VIN <VOUT ist, regelt der IC im Boost-Modus, wobei N3 und N4 synchron schalten.

Nahtloser Übergang

Ein wichtiger Punkt bei dieser Architektur ist der nahtlose Übergang von einer Betriebsart zur anderen, wenn die Eingangs- und Ausgangsspannungen des Reglers nahe beieinander liegen. Beim Übergang vom Buck- zum Boost-Betrieb, wenn die Spannung am Eingang auf die Ausgangsspannung abfällt, nähert sich das Tastverhältnis des Wandlers dem Wert 1.

Wenn die Einschaltzeit von N2 kürzer wird, wird sie bei N1 länger. Irgendwann schaltet sich der N2-Leistungstransistor innerhalb der zulässigen Einschaltzeit möglicherweise nicht schnell genug ein und es kommt bei der Ausgangsspannung und beim Strom zu Unstetigkeiten. Selbst wenn N1 und N2 schnell genug wären, befänden sich die Transistoren N3 und N4 während des Buck-Modus im Aus-Zustand und sie unterlägen beim Schalten einer Einschaltverzögerung durch die jeweiligen Ladungspumpen (nicht im Bild dargestellt), die eine bestimmte Zeit benötigen, um wieder aktiv zu werden.

Die beste Strategie ist es, in den Boost-Betrieb zu wechseln, lange bevor der Buck-Betrieb an seine Grenze kommt, beispielsweise wenn das Tastverhältnis des Schalters N1 (DC1) bei 83,3 Prozent liegt (Bild 3). Da der Boost-Betrieb (CLK2) zum Buck-Betrieb (CLK1) um 180° phasenverschoben ist, stört er diesen nicht.

Wenn sich DC1 im Buck-Betrieb dem Wert 83,3 Prozent annähert, werden die beiden Boost-Transistoren (N3 und N4) aktiviert. Im Hinblick auf die Wellenform des Stroms ergibt sich durch das Gleichsetzen des Produkts aus Volt x Sekunden:

VIN× TON4 + (VIN - VOUT) × (TON1 - TON4) = VOUT× TOFF1

Durch Umformen und Vereinfachen gelangt man zur charakteristischen Gleichung eines Buck-Boost-Wandlers mit vier Schaltern:

VOUT/VIN = DC1/(1-DC4), wobei gilt: DCx = TONx/T.

Durch den Einsatz eines Buck-Boost-Wandlers für jede LED-Reihe anstelle des Boost-Wandlers (wie in Bild 1 dargestellt) wird die Eingangsspannung des Spannungsreglers auf die Batteriespannung heruntergesetzt, wodurch sich die Schaltverluste jedes Reglers reduzieren.