Typische Body-Elektronik-Architekturen für die Innen- und Außenbeleuchtung von Fahrzeugen bestehen vereinfacht dargestellt aus einem Body Control Module (BCM), dem Kabelstrang und den Lichtquellen. Body-Elektronik-Architekturen zur Ansteuerung von LED-Leuchten sind ähnlich aufgebaut wie für Glüh- und Halogenlampen. Allerdings werden für die Ansteuerung und Diagnose von LEDs intelligentere Lösungen direkt an der Lichtquelle, also der LED, benötigt. Die Ansteuerung der LEDs muss mit geregelten, konstanten Strömen erfolgen, und das Anlegen einer Spannung ohne Strombegrenzung könnte zur Zerstörung der LED führen.

Bild 1: Häufigste Fehlerfälle auf der Lastseite bei LED-Ansteuerungen.

Bild 1: Häufigste Fehlerfälle auf der Lastseite bei LED-Ansteuerungen.Infineon Technologies

Im Frontbereich kommen LEDs meist nur für einige Fahrzeugvarianten einer Fahrzeugplattform zum Einsatz. Selbst im Heckbereich, wo die Durchdringung mit LEDs bereits weiter fortgeschritten ist, ist eine Serienausstattung von Voll-LED-Leuchten nur bei wenigen Fahrzeugplattformen die Regel. Deshalb sollte das BCM sowohl die Ansteuerung von herkömmlichen Glüh- beziehungsweise Halogenleuchten als auch von LED-Leuchten unterstützen.

Sicherheitsrelevante Lastdiagnose

Die genaue Kenntnis des Lastzustands ist im Automobilbereich besonders wichtig, da es sich häufig um sicherheitsrelevante Anwendungen handelt. Während bei einer LED-Innenraumbeleuchtung die Sicherheitsrelevanz nicht gegeben ist, muss zum Beispiel die Funktion eines Blinkers zuverlässig detektiert werden. Bei vielen Automobilherstellern ist die Ausstattung mit LEDs immer noch eine optionale Variante, wobei das Design des BCM gleich bleiben sollte. Daraus ergibt sich die Forderung an das BCM, sowohl Glühlampen als auch LEDs zu unterstützen und bei beiden Varianten für eine funktionierende Diagnose zu sorgen.

Bild 2: Typische Stromwerte von Standardlösungen und LED-Lösungen. Während ein Ausfall einer einzelnen Glühlampe eine Stromänderung von mehreren Ampere auslöst, entsteht durch die Lastunterbrechung an LEDs ein wesentlich kleinerer Stromabfall.

Bild 2: Typische Stromwerte von Standardlösungen und LED-Lösungen. Während ein Ausfall einer einzelnen Glühlampe eine Stromänderung von mehreren Ampere auslöst, entsteht durch die Lastunterbrechung an LEDs ein wesentlich kleinerer Stromabfall.Infineon Technologies

Die häufigsten Fehlerfälle auf der Lastseite (Bild 1) sind ein Kurzschluss mit Direktverbindung zur Batterie oder Masse, eine Lastunterbrechung mit teilweisem oder totalem Ausfall des LED-Moduls beziehungsweise der Glühlampe sowie ein Kurzschluss oder eine Unterbrechung von Kabeln oder Steckverbindern.

Ein Kurzschluss zur Batterie stellt einen potenziell gefährlichen Fall dar, den das BCM jedoch leicht erkennt. Dieses kann dann die Spannungsversorgung der Last deaktivieren. Die hohe Kurzschlussfestigkeit der heute verfügbaren Highside-Schalter in Kombination mit schnell reagierenden Mikrocontrollern bietet einen guten Schutz in diesem Fehlerfall. Während die Kurzschlussdiagnose mittlerweile eine Standardprozedur ist, stellt die Erkennung einer Lastunterbrechung höhere Anforderungen an das System. Um Lastunterbrechungen mit der Software des Mikrocontrollers festzustellen, gilt es, mitunter hohe Genauigkeiten in der Diagnoseschaltung zu erreichen. Speziell bei der bereits erwähnten gemeinsamen Unterstützung von Glühlampen und LEDs kann dies zu Problemen führen. Während ein Ausfall einer einzelnen Glühlampe eine Stromänderung von mehreren Ampere auslöst, entsteht durch die Lastunterbrechung an LEDs ein wesentlich kleinerer Stromabfall. Das erhöht die Anforderungen an das Diagnosesystem.

Bild 3: LED-Treiber wie die Litix-Basic-Familie mit integrierten Diagnosefunktionen ermöglichen einfache, kosteneffiziente und flexible LED-Beleuchtungslösungen.

Bild 3: LED-Treiber wie die Litix-Basic-Familie mit integrierten Diagnosefunktionen ermöglichen einfache, kosteneffiziente und flexible LED-Beleuchtungslösungen. Infineon Technologies

Diagnose am BCM oder direkt am LED-Treiber

Lichtfunktionen wie Schluss- oder Bremslicht sind meist aus mehreren LED-Strängen aufgebaut und werden über eine gemeinsame Leitung angesteuert. Fällt hier eine einzelne LED aus, wird nur ein Strang inaktiv und der Laststrom der Lichtfunktion sinkt nicht auf Null. Die Differenz zwischen voller Last und reduzierter Last kann hier sehr klein sein (10 bis 25 mA). Derartig kleine Stromänderungen sind am BCM nicht detektierbar.

Um trotzdem eine Lastdiagnose durch das BCM zu ermöglichen müssen bei einem Ausfall eines Stranges in der Lichtfunktion mehrere Stränge oder sogar die gesamte Last deaktiviert werden, um hierdurch eine vom BCM detektierbare Stromänderung herbeizuführen. Eine Möglichkeit ist das N-1-Konzept, bei dem bei einer Unterbrechung eines LED-Strangs nach einer konfigurierbaren Zeit die Abschaltung aller anderen Ketten (Kanäle) erfolgt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Diagnose und Verarbeitung direkt am Lichtmodul erfolgen. Voraussetzung für beide Fälle ist die sichere Erkennung des Fehlers in der LED-Last.

Bild 4: Kurzschluss- und „Open Load“-Diagnose mit einem Litix Basic LED-Treiber.

Bild 4: Kurzschluss- und „Open Load“-Diagnose mit einem Litix Basic LED-Treiber.Infineon Technologies

Während sich die LED-Diagnose durch einen diskreten Aufbau nur mit relativ hohem Aufwand realisieren lässt, bieten moderne integrierte LED-Treiber wie die Stromquellentreiber der neuen Familie Litix Basic bereits integrierte und umfangreiche Diagnosemöglichkeiten.

Die neuen Stromquellentreiber realisieren die Diagnose durch Überwachung der Spannungen VPS (Versorgungsspannung gegen Ausgang) und VOUT (Spannung am Ausgang gegen Masse. So kann der Treiber für jeden Ausgang erkennen, ob ein offene Last (VPS ≈ 0 V) und damit eine unterbrochene LED-Kette oder ein Kurzschluss (VOUT ≈ 0 V) einer LED-Kette vorliegt (Bild 4).

Die Litix-Basic-Familie

Mit der Litix-Familie bietet Infineon spezielle automobile LED-Treiber. Die Litix-Basic-Varianten sind LED-Treiber, die für externe Beleuchtungsanwendungen mit geringen und mittleren Spannungen in Anwendungen wie Blinkern, Heck-, Stopp- und Rückfahrlicht ausgelegt sind.

Bild 5:  LED-Ansteuerung mit einem hochintegrierten Litix-Basic-Treiber: wenige externe Komponenten und integrierte Diagnosefunktionen.

Bild 5: LED-Ansteuerung mit einem hochintegrierten Litix-Basic-Treiber: wenige externe Komponenten und integrierte Diagnosefunktionen.Infineon Technologies

Die Litix Basic-Serie besteht aus 15 skalierbaren und pinkompatiblen Treibern mit 1 bis 3 Kanälen für Stromlasten von 60 bis zu 180 mA. In der Regel sind diese Ströme für Rücklicht, Bremslicht oder Blinker mehr als ausreichend. Manchmal benötigen jedoch das Nebelschlusslicht sowie das Rückfahrlicht höhere Ströme, die sich durch Parallelschaltung mehrerer Treiber direkt realisieren lassen. Neben einer stabilen, flackerfreien und zuverlässigen LED-Beleuchtung bieten einige Litix-Basic-Treiber zusätzliche Diagnosefunktionen für die LED-Lasten.

Bis heute nutzen gängige LED-Designs für Rücklichtanwendungen einen diskreten Widerstand, um den Strom beziehungsweise die LEDs zu regeln. Im Gegensatz dazu benötigen die Litix-Basic-Treiber weniger externe Komponenten und haben optional eine PWM-Schaltung sowie spezielle Diagnosefunktionen integriert (Bild 5). Damit lässt sich die Anzahl der externen Komponenten um etwa 40 Prozent senken.

Skalierbare LED-Treiber-Familie

Die Litix-Basic-Familie ist Teil des Litix-Portfolios an LED-Treibern für Automobil-Anwendungen von Infineon. Die Bausteine für Low- und Medium-Power-Applikationen werden durch die Litix-Linear-Serie ergänzt, die für Low- bis hin zu High-Power-LEDs ausgelegt ist. Die einkanaligen linearen Stromquellentreiber der Litix Linear Serie können LEDs mit 85 bis zu 500 mA treiben sowie High-Power-LEDs mit bis zu 2,5 A mittels externem Transistor. Die ergänzende Litix-Power-Serie besteht aus drei einkanaligen DC/DC-Controllern sowie einem einkanaligen Wandler und unterstützt verschiedene DC/DC-Topologien.  

Alle 15 Bausteine der automotive-qualifizierten Serie Litix Basic nutzen das gleiche Gehäuse (PG-SSOP-14EP), um bei geänderten Anforderungen wie beispielsweise anderen Ausgangsströmen einen pinkompatiblen Austausch zu ermöglichen. Alle Bausteine bieten Schutzfunktionen bei Überlast und Übertemperatur sowie einen weiten Eingangsspannungsbereich von 5,5 V bis 40 V.

Bei den Varianten mit integrierten Diagnosefunktionen (zum Beispiel TLD2314EL) können die Entwickler zwischen SC (Kurzschluss), OL (offene Last) – auch in Verbindung mit einem Diagnosebus zwischen den Bauelementen – sowie N-1 (Diagnosebus mit zeitgesteuerter LED Abschaltung) als Option für die Diagnose einer LED-Kette wählen. Damit können die Litix-Basic-Treiber für eine zentralisierte Diagnose (Diagnose über das BCM), aber auch für dezentralisierte Konzepte direkt an den Lichtmodulen zum Einsatz kommen. Eine weitere Option der Litix Basic-Treiber ist die PWMI-Einheit (Integrated Pulse Width Modulation), die beispielsweise im TLD1312EL vorhanden ist. Mit dieser Funktion besteht beispielsweise die Möglichkeit, zwei verschiedene Lichtniveaus einfach mit einer Lichtquelle zu realisieren, zum Beispiel eine Kombination aus Stopp- und Rücklicht.