Bild 1: LEDs als Hintergrundbeleuchtung von Automotive-Displays haben kleine Formfaktoren, sind energieeffizient bei sehr gutem Kontrastverhältnis und funktionieren zuverlässig über die gesamte Fahrzeuglebensdauer.

Bild 1: LEDs als Hintergrundbeleuchtung von Automotive-Displays haben kleine Formfaktoren, sind energieeffizient bei sehr gutem Kontrastverhältnis und funktionieren zuverlässig über die gesamte Fahrzeuglebensdauer. Linear

Einige der Schlüsselanwendungen, die das explosionsartige Wachstum von LEDs als Hintergrundbeleuchtung in TFT-LCDs (Thin Film Transistor Liquid Crystal Displays) vorangetrieben haben, sind hochauflösende Fernseher (High Definition TV) portable Tablet-PCs, Displays in Automobil-Infotainment-Systemen und die schier unendliche Anzahl von mobilen Kommunikationsendgeräten. Um dieses eindrucksvolle Wachstum jedoch beizubehalten, müssen LEDs nicht nur eine erhöhte Zuverlässigkeit, verringerten Leistungsbedarf und kompaktere Ausmaße aufweisen, sondern auch Verbesserungen bezüglich des Kontrastverhältnisses und der Farbtreue bieten.

Die TFT-LCD-Applikationen reichen von Infotainment-Systemen, Anzeigen in Armaturbrettern bis hin zu einer großen Anzahl von Geräteanzeigen. Natürlich stellt die Hinterleuchtung dieser Displays mit LEDs einige ganz besondere Anforderungen bei der Entwicklung der LED-Treiber-ICs, um die Lesbarkeit des Displays unter einer Vielzahl unterschiedlicher Beleuchtungsbedingungen zu optimieren. LED-Treiberbausteine müssen hierfür weite Dimmverhältnisse und einen hohen Wirkungsgrad der Wandlung bieten, der anspruchsvollen elektrischen und physikalischen Automobilumgebung widerstehen und kompakt in den Ausmaßen wie auch kostengünstig sein.

Wachstumsentwicklung von LEDs in Automobil-Displays

Um das beeindruckende Wachstum in Automobil-Beleuchtungsanwendungen zu unterstützen, müssen LEDs im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtmitteln wie Glühlampen und Leuchtstoffröhren einen Mehrwert bieten. Ihre Lichtausbeute ist zehnfach höher als die von Glühlampen und nahezu doppelt so hoch wie die von  Leuchtstoffröhren einschließlich Kaltkathodenlampen (CCFL,  Cold Cathode Fluorecent Lamp). Das reduziert den elektrischen Leistungsbedarf bei gleicher Lichtausbeute (gemessen in Lumen pro Watt) deutlich. Durch die ständige Weiterentwicklung der LEDs steigen auch ihre Leuchtstärke und die Effizienz der Lichterzeugung an. Zudem erfordern LED-Leuchtmittel keine aufwendige Entsorgung, im Gegensatz zu CCFLs, die in der Regel giftiges Quecksilber enthalten. Schließlich übertreffen LED-Lampen mit 100.000 Betriebsstunden Glühlampen mit rund 1.000 h und selbst Leuchtstoffröhren mit bis zu 10.000 h bei weitem.

Eckdaten

Gegenüber den althergebrachten Glühlampen und Leuchtstoffröhren bieten LEDs auch als LCD-Hintergrundbeleuchtung vielfältige Vorteile. Insbesondere für automotive Applikationen bietet sich der Einsatz des 4-Kanal-LED-Treiber LC3599 an, der flexibel beschaltet werden kann. Der Aufwärtswandler versorgt bis zu vier unsymmetrische LED-Ketten auch bei Spannungsschwankungen stabil und energieeffizient. Er hat Dimm- und Schutzfunktionen mit zugehörigen Meldeausgängen integriert und ist zudem langlebig, klein und kostengünstig.

In den meisten Anwendungen erlaubt es die lange Lebensdauer LEDs ohne Servicezugang fest in die Endapplikation zu integrieren, sodass beispielsweise Hintergrundbeleuchtungen während der Lebenszeit eines Automobils ohne Austausch auskommen. Darüber hinaus sind LEDs um Größenordnungen kleiner und kompakter als andere Leuchtmittel, wodurch LCDs extrem dünn ausgeführt werden können und damit nur einen minimalen Raum im Fahrzeug beanspruchen. Die Kombination von roten, grünen und blauen LEDs ermöglicht eine quasi unendliche Anzahl an Leuchtfarben. LEDs lassen sich  zum Dimmen sehr schnell schalten, was fürs menschliche Auge flackerfrei ist und auch durch sehr hohe Kontrastverhältnisse zu signifikanten Verbesserungen der LCD-Hintergrundbeleuchtung führt.

Hindernisse für den Einsatz im Fahrzeug

Nichtsdestotrotz besteht eines der größten Hindernisse für Entwickler von Automobilbeleuchtungssystemen darin, all diese Eigenschaften und Vorzüge der neusten Generation von LEDs optimieren zu können. Da LEDs ganz allgemein eine exakte und effiziente Stromquelle benötigen sowie Hilfsschaltungen um sie zu dimmen, muss ein LED-Treiberbaustein diese Anforderungen auch unter unterschiedlichsten Betriebsbedingungen erfüllen. Die Stromversorgung soll einen hohen Wirkungsgrad besitzen sowie robust und zuverlässig wie auch kompakt und kostengünstig sein. Eine sehr anspruchsvolle Anwendungen für den Betrieb von LEDs als LCD-Hintergrundbeleuchtung in Infotainmentsystemen, da sie der unwirtlichen elektrischen Umgebung im Fahrzeug ausgesetzt sind, einen weiten Bereich an unterschiedlichen Umgebungslichtbedingungen ausgleichen und in den wenig verfügbaren Bauraum passen müssen.

Viele neue Automobil-Designs nutzen für mehrere benachbarte Displays eine einzige Hintergrundbeleuchtung. Häufig wird sie mit dem Infotainmentsystem geteilt und führt so zu einem leicht abzulesenden, „all-in-one“ Kontrollbildschirm. Auch haben viele Automobile, Züge und Flugzeuge LCDs zur Passagierunterhaltung in den Rückenlehnen. Traditionell verwendeten diese Displays eine CCFL-Hintergrundbeleuchtung, doch auch diese relativ großen Lampendesigns werden zunehmend mit sehr flachen Weißlicht-LED-Arrays ersetzt.

Anforderungen an LED-Beleuchtungen im Automobil

Um die optimale Leistung und lange Betriebsdauer von LEDs sicherzustellen, benötigen sie eine effektive Treiberschaltung. Diese Treiber-ICs müssen bei schwankender Bordnetzspannung stabil arbeiten und Strom- sowie Temperaturgrenzwerte sicher einhalten.

Kritische Betriebszustände sind Spannungsschwankungen oder -sprünge im Fahrzeugbordnetz, beispielsweise aufgrund eines Load Dump (Laststromänderung durch Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen Lichtmaschine beziehungsweise Batterie und Bordnetz) oder durch einen Kaltstart (Cold Crank). Wenn im Falle eines Load-Dump während der Fahrt ein Batteriekabel bricht, der Generator aber immer noch Ladestrom nachliefert, können Spannungsspitzen bis zu 40 V entstehen, die der Laderegler nicht schnell genug ausregeln kann. Ein Überspannungsschutz am Generator   begrenzt die Bordspannung auf etwa 36 V und absorbiert den größten Teil der Stromspitze. Am Bordnetz betriebene DC/DC-Wandler sind jedoch diesen Spannungsspitzen von 36 bis 40 V ausgesetzt. Sie müssen dies unbeschadet verkraften und während dessen eine geregelte Ausgangsspannung liefern. Unterschiedliche alternative Schutzschaltungen, typischerweise für den Überspannungsschutz, können extern implementiert werden, bedeuten aber zusätzlich mehr Kosten, Gewicht und Raumbedarf.

Bild 2: In Beschaltung als 12-W-LED-Hintergrundbeleuchtung erreicht der LT3599 90 % Wirkungsgrad.

Bild 2: In Beschaltung als 12-W-LED-Hintergrundbeleuchtung erreicht der LT3599 90 % Wirkungsgrad. Linear

Der Kaltstart eines kalten Verbrennungsmotors erfordert aufgrund des extrem zähflüssigen Motoröls ein hohes Drehmoment vom Starter, was einen hohen Starterstrom verursacht. Durch diesen kann die Batteriespannung auf unter 4,0 V sinken und nach Abschaltung recht schnell wieder auf die nominalen 12 V zurückkehren.

4-Kanal-LED-Treiber

Speziell für die zuvor erwähnten Betriebsbedingungen hat Linear den LT3599 entwickelt. Mit seinem Eingangsspannungsbereich von  3 bis 30 V und einem Überspannungsschutz bis 40 V eignet er sich ideal für den Einsatz in Automobilumgebungen. Selbst wenn VIN größer als VOUT ist, etwa während einer 36-V-Spannungsspitze, hält der LT3599 die benötigte Ausgangsspannung stabil.

Der LED-Treiber lässt sich ideal für gängige LED-Applikationen wie LCD-Hintergrundbeleuchtungen zwischen 10 bis 15 W einsetzen. Er kann seine Eingangsspannung (nominal 12 V) ausgangsseitig bis auf 44 V anheben und damit bis zu vier parallele LED-Ketten unterschiedlicher Länge treiben, pro Kette aber nur maximal zehn in Reihe geschaltete, weiße 100-mA-LEDs. Bild 2 zeigt die Beschaltung eines LT3599, der vier parallele LED-Ketten mit jeweils zehn 80-mA-LEDs treibt und dabei insgesamt 12 W leistet.

Bild 3a: LED-Stromabgleich des LT3599.

Bild 3a: LED-Stromabgleich des LT3599. Linear

Eine adaptive Rückkoppelschleife hebt die Ausgangsspannung etwas höher an, als es die LED-Kette mit der höchsten Spannung erfordert. Dies minimiert Leistungsverluste durch die Ballastschaltung. Der Wirkungsgrad des LT3599 kann bis zu 90 % betragen, wie Bild 2 zeigt. Damit entfallen jegliche Kühlmaßnahmen, was in sehr kompakten und flachen Bauformen resultiert. Ebenso wichtig für das Treiben von LED-Arrays ist ein akkurater Stromabgleich, um sicherzustellen, dass die Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung über den gesamten Bildschirm gleichmäßig ist. Der LT3599 garantiert über seinen gesamten Betriebstemperaturbereich von –40 bis 125 °C eine Stromschwankung von weniger als 2 %.

In einer Aufwärtswandler-Topologie arbeitet der LED-Treiber mit fester Frequenz und Konstantstrom. Seine Schaltfrequenz ist zwischen 200 kHz und 2,5 MHz programmier- und synchronisierbar; der Aufwand an externer Beschaltung ist gering. Vier separat steuerbare Fusspunkte jeder LED-Kette erlauben einen unsymmetrischen Betrieb von Ketten unterschiedlicher LED-Anzahl.

Bild 3b: Wirkungsgrad des LT3599.

Bild 3b: Wirkungsgrad des LT3599. Linear

Eine Dimmung lässt sich über zwei Steuerungsmethoden realisieren : True-Color-PWM bietet Dimmungs-Tastverhältnisse bis 3000:1, die häufig in Automobilanwendungen erforderlich sind. Dabei werden die LEDs bei vollem Strom getaktet, was jegliche Farbänderung des LED-Lichts vermeidet. Die Schaltfrequenz ist so hoch, dass sie vom menschlichen Auge nicht erkannt werden kann. Das analoge Dimmen erfolgt durch Variieren der Spannung am Steuer-Pin CTRL und bewirkt per Veränderung der Ausgangsspannung Dimmverhältnisse bis 20:1. Diese Dimmmethode eignet sich, um die LED-Helligkeit abhängig von den Änderungen des Umgebungslichts nachzuregeln.

Weitere Ausstattungen des LT3599 sind Unterbrechungs- und Kurzschlussschutz sowie zugehörige Alarm-Pins, die einen solchen Fehlerfall melden.

Zusammenfassung

Das Wachstumspotenzial von lichtstarken LEDs für den Einsatz in Automobilanwendungen wird weiterhin eine signifikante Nachfragesteigerung erleben, sowohl für die LEDs selbst als auch für LED-Treiber-ICs. Linear Technology hat eine ganze Familie an Hochstrom-LED-Treiberbausteinen entwickelt, die speziell auf Automobilanwendungen wie LCD-Hintergrundbeleuchtung, Blinker mit Lauflichteffekten oder (Matrix-)Scheinwerfer abzielen.