Bild 1: Gerade im Kfz-Bereich erfüllen LEDs viele sicherheitskritische Aufgaben. Entsprechend zuverlässig müssen LED und Treiber funktionieren.Rohm Semiconductor
In vielen Märkten, von weißer Ware und Industrie bis hin zum Automotive-Sektor, übernehmen LEDs teils sicherheitskritische Aufgaben (Bild 1). Entsprechend wichtig sind eine hohe Zuverlässigkeit von LED und ihrem Treiber. Tritt doch ein Problem auf, muss die Treiberschaltung den Fehler zuverlässig erkennen und melden. Es ist zu erwarten, dass sich auch in anderen Bereichen die einschlägigen Normen weiterentwickeln werden – hin zu mehr Zuverlässigkeit. In einigen Fällen ist dies bereits durch neue Gesetze vorgegeben. Ein weiterer Trend sind die steigenden Anforderungen an die Einstellbarkeit von Helligkeit und Leuchtfarbe der LEDs. So kann zum Beispiel eine hohe Farbübereinstimmung von LEDs untereinander gefordert sein, was präzise Regelungsverfahren voraussetzt.
Diskrete LED-Treiberlösungen
Typische LED-Anwendungen enthalten eine MCU und eine geregelte Stromversorgung. Je nach Einsatzfeld werden Anzahl und Typ der verwendeten LEDs jedoch erheblich variieren. In einem einfachen Szenario kann der Mikrocontroller die LEDs über diskrete Schalter und Strombegrenzungswiderstände direkt ansteuern. Der große Aufwand an externen Bauelementen erfordert jedoch viel Leiterplattenfläche und beeinträchtigt die Zuverlässigkeit, da die Zahl der ausfallgefährdeten Komponenten groß ist. Außerdem braucht die MCU viele Pins zum Ansteuern aller einzelnen LEDs und der Softwareaufwand ist sehr hoch, um die LEDs zu allen Zeiten aktiv zu kontrollieren.
Das Ansteuern von LEDs mit einem strombestimmenden Widerstand ist ungenau: es lässt sich nur der optimale Strom bei einem bestimmten Betriebspunkt einstellen. In der Praxis können die Versorgungsspannung und die Temperatur aber schwanken, sodass Farbe und Helligkeit der LEDs gravierend variieren. Eine feinstufige Regelung der Stromstärke ist nicht einfach zu implementieren – eine Pulsweiten-Modulation (PWM) jedoch schon. Allerdings können die diskreten Schalter einer PWM-Lösung elektromagnetische Interferenzen (EMI) hervorrufen.
Bild 2: Ein typischer LED-Treiber kann mehrere LEDs mit Konstantstrom versorgen. Mit dem Host-Mikrocontroller kommuniziert der Treiber via SPI.Rohm Semiconductor
Ein wichtiger Nachteil der diskreten Lösung ist, dass sich defekte LEDs nicht einfach detektieren lassen – gerade bei sicherheitsrelevanten Aufgaben kann das durchaus kritisch sein. Ausgefallene LEDs sollten dem Mikrocontroller deshalb gemeldet werden.
Integrierte LED-Ansteuerlösungen
Um diese Einschränkungen zu überwinden haben sich hochintegrierte Bausteine bewährt, die mehrere Funktionen in sich vereinen (Bild 2). Eine ebenso einfache wie effektive Lösung sind per SPI gesteuerte, mehrkanalige Konstantstromtreiber, etwa der BD18378EFV-M von Rohm (Bild 3). Der Mikrocontroller programmiert den LED-Treiber via SPI. Der LED-Treiber wiederum implementiert und integriert die analogen Funktionen, die notwendig sind, um die LEDs mit einem konstanten Strom zu versorgen. Auch Diagnosefunktionen lassen sich einbinden.
Bild 3: Der BD18378EFV-M verfügt über 12 LED-Kanäle. An externen Bausteinen ist vor allem ein Widerstand nötig um den Basisstrom einzustellen. Gegen die Abwärme hilft die große Kühlfläche des Bausteins.Rohm Semiconductor
Der SPI-Bus lässt sich mit beliebigen MCUs unkompliziert implementieren: vier Pins genügen für die bidirektionale Kommunikation mit dem LED-Treiber. Wenn der Controller sehr viele LEDs ansteuern muss, lassen sich bis zu 20 Treiber per Daisy-Chaining miteinander verbinden. Einmal programmiert, erfordern die Treiber keine weitere Kommunikation, wenn man von der PWM-Funktionalität und etwaigen Fehlermeldungen absieht.
Da der Treiber sämtliche Funktionen in sich integriert, sinkt der Bauteilaufwand deutlich. Ohne dass sich Änderungen der Versorgungsspannung oder der Temperatur auswirken, werden alle angeschlossenen LEDs mit einem konstanten Strom versorgt. Die Höhe dieses Stroms lässt sich mithilfe von Register-Settings einstellen. Lediglich ein einziger externer Widerstand ist nötig um den Basisstrom einzustellen. Ein Ausfall dieses strombestimmenden Widerstands ist zwar unwahrscheinlich, aber erkennbar. Der Treiber wird dann auf eine interne Referenz umschalten. Da der Treiber den Strom regelt und keine Spannung schaltet, reduzieren sich die EMI-Störgrößen erheblich.
Power-Management
Die meisten LED-Treiber sind aus Gründen der Genauigkeit als Stromsenken ausgeführt. Dies bedingt, dass die LEDs an eine geeignete Stromversorgung angeschlossen werden. Aus Effizienzgründen wird diese Stromversorgung meist mit einem Power-Management-Baustein implementiert. Die Stromversorgung kann – muss aber nicht – den Controller mitversorgen. Wenn der Baustein eine höhere LED-Versorgungsspannung toleriert, kommt dies seiner Robustheit sowie der Flexibilität des Systems zugute.
Eckdaten
Moderne LED-Treiber sorgen nicht nur für konstanten Strom an der LED, sie überwachen auch, ob eine Unterbrechung oder ein Kurzschluss vorliegen oder die Temperatur zu hoch wird. Per SPI kommunizieren sie mit einem Host-Mikrocontroller und sorgen somit für ein zuverlässiges Gesamtsystem.
Der LED-Treiber kann eine große Zahl von LEDs mit einem hohen Strom versorgen. Da die LED-Versorgungsspannung möglicherweise hoch ist, entsteht an diesem Baustein eventuell ein hoher Spannungsabfall mit viel Verlustwärme. Folglich besitzen die meisten Konstantstromtreiber zur Kühlung einen herausgeführten Die-Pad und sind mit einer Thermal-Shutdown-Funktion ausgestattet, die sie gegen Überhitzung schützt. Einige Produkte enthalten auch eine Vorwarnfunktion, damit der Controller Abhilfemaßnahmen einleiten kann, noch bevor es zu Problemen kommt. Das Die-Pad sollte mit einem ausreichend großen Kühlkörper verbunden werden, etwa mit der Massefläche der Leiterplatte oder mit dem Modulgehäuse.
Die Maximalwerte von Strom und Spannung sorgen in der Regel dafür, dass Konstantstromtreiber höchstens ein Dutzend LED-Kanäle ansteuern. Werden mehr LED-Kanäle benötigt, lassen sich diese mit einer per SPI gesteuerten Daisy-Chain-Konfiguration aus mehreren Treibern versorgen. Denkbar ist jedoch ebenfalls, mit einem Kanal mehrere LEDs zu treiben, wenn alle denselben Strom benötigen und die Spannungsreserve ausreichend groß ist.
Die Farbe im Blick
Die Farbe einer LED kann je nach Stromstärke variieren. Zur Dimmung von LEDs ist es deshalb üblich, das PWM-Verfahren anzuwenden und den Strom (und damit die Farbe) konstant zu halten. Die Leuchthelligkeit lässt sich auf diese Weise zur Anpassung an wechselnde Lichtbedingungen variieren, oder man kann aus ästhetischen Gründen für ein sanftes Ein- und Ausschalten der LEDs sorgen. Falls es sinnvoll ist, kann jede LED-Gruppe mit einem eigenen PWM-Treiber ausgestattet werden.
In einigen Fällen ist eine zusätzliche Feinjustierung der LED-Ströme sinnvoll. So kann es zum Beispiel aus ästhetischen Gründen wichtig sein, dass mehrere nahe beieinander angeordnete LEDs mit gleicher Helligkeit leuchten. Eine Balkenanzeige ist ein gutes Beispiel für eine solche Anwendung. Hier wäre es notwendig, dass sich die LED-Ströme in Schritten von weniger als 1 % variieren lassen, um Helligkeitsunterschiede zwischen den LEDs ausgleichen zu können. Allerdings setzt dies voraus, dass der Strombedarf der einzelnen LEDs vorab bekannt ist (durch Binning während der Fertigung).
Ein weiteres Beispiel für einen Fall, in dem eine feinstufige Stromeinstellung sinnvoll wäre, ist die farbige Beleuchtung mit RGB-LEDs. Durch feines Variieren der Ströme, mit denen die verschiedenen LEDs angesteuert werden, lässt sich für Effektbeleuchtungen ein großer Umfang an Farben erzielen. Intelligente LED-Treiber wie der BD18378EFV-M bieten daher sowohl PWM- als auch analoge Optionen zur Stromeinstellung an.
Ein weiteres Beispiel für einen Fall, in dem eine feinstufige Stromeinstellung sinnvoll wäre, ist die farbige Beleuchtung mit RGB-LEDs. Durch feines Variieren der Ströme, mit denen die verschiedenen LEDs angesteuert werden, lässt sich für Effektbeleuchtungen ein großer Umfang an Farben erzielen. Intelligente LED Treiber wie der BD18378EFV-M bieten daher sowohl PWM- als auch analoge Optionen zur Stromeinstellung an.
Bild 4: Hochintegrierte LED-Treiber besitzen eine umfangreiche Fehlererkennungslogik bis hin zu einer Temperaturüberwachung.Rohm Semiconductor
Fehler erkennen
Der Ausfall einer LED lässt sich anhand der Spannung detektieren, die für die einzelnen Kanäle am Treiber anliegt (Bild 4). Wird die Spannung des betreffenden Kanals nach unten gezogen, deutet das auf eine Stromkreisunterbrechung in der LED hin. Steigt die Spannung des Kanals dagegen auf die LED-Versorgungsspannung an, liegt wohl ein Kurzschluss in der LED vor. In beiden Fällen sollte der Treiber den Mikrocontroller per SPI über den Fehler informieren, damit der den Strom für die betreffende LED ausschaltet oder anderweitig reagiert. Beim Detektieren von Kurzschlüssen sollte der Treiber allerdings Änderungen der Versorgungsspannung oder der LED-Flussspannung infolge der Temperatur oder des gewählten Stroms sowie durch unterschiedliche LED-Versorgungsspannungen berücksichtigen.
Mit der Einführung des BD18378EFV-M (Bild 3) hat Rohm Semiconductor sein Portfolio an LED-Treiber-ICs für Automotive-Anwendungen aufgestockt. Das Produkt ist qualifiziert nach AEC Q100 und somit uneingeschränkt für den Automotive-Markt in Europa und den USA geeignet. Für Evaluierungszwecke bietet Rohm auch Muster und Demo-Boards sowie eine PC-kompatible GUI-Software mit Programmbeispielen an.
Raimund Wagner
(lei)
