LED-Fahrzeugbeleuchtungen erlauben aufgrund ihrer hohen Flexibilität, das Design einer Fahrzeugmarke mit neuen Merkmalen zu prägen. Durch ihre Effizienz und lange Lebensdauer gibt es auch technische Gründe für den LED-Einsatz. Dabei haben die verschiedenen LED-Anwendungen wie Blinker, Rückleuchten, Abblendlicht oder Bremslicht durchaus unterschiedliche Anforderungen an die Stromversorgung – und exakt diese Anforderungen muss die Topologie der Schaltung möglichst gut erfüllen. Zudem setzen die Weiterentwicklungen bei den LEDs, einerseits steigende Lichtausbeuten bei bereits wenigen 10 mA, andererseits Einzel-LEDs bis in den Bereich mehrerer Ampere, unterschiedliche Ansprüche an die LED-Ansteuerung. Eine universelle Topologie, die für alle Anwendungen optimal hinsichtlich Kosten und Wirkungsgrad ist, gibt es somit nicht und kann es auch nicht geben. Umso mehr kann es nützlich sein, die IC-Entwickler solcher Stromversorgungen bei deren Auswahl und Integration in die Anwendung zu Rate zu ziehen.

Eckdaten

Die Ansteuerung von LEDs für die Fahrzeugbeleuchtung ist ein technisch vielfältiges Thema. Es entwickelt sich in verschiedene Richtungen: Auf der einen Seite gibt es steigende Lichtausbeuten im unteren zweistelligen Milliampere-Bereich, auf der anderen Seite finden wichtige Weiterentwicklungen bei Einzel-LEDs bis in den Bereich mehrerer Ampere statt. Dieser Beitrag vergleicht sieben mögliche Topologien und erläutert deren Leistungsfähigkeit und die möglichen Einsatzbereiche. Die Entwickler haben dabei die Auswahl zwischen mehreren anwendungsspezifischen und kostenangepassten Topologien. Es gibt aber keine universelle Topologie, die für alle Einsatzbereiche optimal hinsichtlich Kosten und Effizienz ist.

LEDs erreichen ihre maximale Lebensdauer nur bei guter Kühlung und Betrieb mit konstantem Strom. Diese Grundanforderungen werden sich in den nächsten Jahren mit der Einführung von OLED-Techniken noch verstärken, denn OLEDs weisen gegenüber der bestehenden LED-Technik eine noch höhere Empfindlichkeit für zu hohe Stromdichten auf. Außerdem profitieren OLEDs von analoger Stromeinstellung anstelle digitaler Steuerung per Pulsbreitenmodulation (PWM).

LED-Beleuchtungsfunktionen mit höherer Leistung wie Fern- und Abblendlicht benötigen fast zwingend getaktete Leistungssysteme. Elektronisch gesteuerte effiziente Schaltwandler können die anfallende Verlustleistung vermindern. Weil LEDs und Elektronik empfindlicher für hohe Temperaturen sind als klassische Glühlampen, ist der erforderliche Bauraum, beispielsweise für die Kühltechnik, auch eine Frage der Wandlungseffizienz.

Randbedingungen und Anforderungen

Typische Herausforderungen im Fahrzeug sind der weite Versorgungsspannungsbereich sowie vielfältige Kombinationen von LED-Spannung und -Strom. In der Regel beeinflussen Start-Stopp-Systeme den Versorgungsspannungsbereich, der am LED-Modul meist bei etwa 4 V beginnt; das kann für die Elektronik hinter dem Verpolschutz oft nur noch 3 V bedeuten. Daraus ergeben sich steigende Eingangsströme bei niedriger Spannung, weil die Ausgangsleistung konstant geregelt wird.

Randbedingungen und Anforderungen an die Front-Fahrzeugbeleuchtung mit LEDs und Lösungsmöglichkeiten mit verschiedenen Elmos-Controllern der Typen E522.xx.

Randbedingungen und Anforderungen an die Front-Fahrzeugbeleuchtung mit LEDs und Lösungsmöglichkeiten mit verschiedenen Elmos-Controllern der Typen E522.xx. Elmos Semiconductor

Um diesem Effekt entgegen zu wirken, existieren Forderungen in Lastenheften nach geeigneten Derating-Mechanismen (beispielsweise eine lineare Stromreduzierung im Leuchtmittel bei niedriger Versorgungsspannung). Analoge kontinuierliche Mechanismen helfen dabei, Leucht-Unterbrechungen zu vermeiden. Technisch sinnvoll sind diese Maßnahmen auch zur wirtschaftlichen Auslegung der Maximalströme des Verpolschutzes und der EMV-Filterkomponenten.

Die Wunschbereiche für den Betrieb von IC-Lösungen gehen in der Regel von Brennspannungen der LED-Serienschaltungen von 2 V bis mehr als 55 V aus. Hinzu kommen Strombereiche, die analog im Verhältnis von größer 10:1 einstellbar sein sollen. Sie enden in der Regel bei 1,5 A, erreichen aber im experimentellen Stadium bereits den Bereich von 3 A und 6 A mit Einzeldioden für Punktleuchtquellen mit mehr als 1000 lm.

Welche Topologien kommen für welche LEDs in Frage? Die folgenden Beispiele zeigen einige anwendungsspezifische kostenangepasste Topologien und deren potenzielle Anwendungsbereiche. Ausgangsbasis ist der Wunsch eines Applikationsentwicklers, eine bestimmte Kombination von Konstantstrom und Spannung am Leuchtmittel zu erzeugen. Dazu stehen viele Wege offen.

Lineare Topologien

Für kleine Ströme und Leistungen können Stromquellen-ICs durchaus geeignet sein, beispielsweise für Blinkleuchten, Rückleuchten, Nebellicht oder ein einfaches Low-Cost-Tagfahrlicht. Diese Stromquellen-ICs verursachen nur geringe Gesamtkosten, und sie sind typischerweise sehr einfach anwendbar. Prinzipiell erzeugen Stromquellen-ICs nur eine geringe Abstrahlung, sodass kaum EMV-Filter notwendig sind. Die für Schaltlösungen erforderlichen induktiven Speicher fallen hier nicht an.

Diese Vorgehensweise ist meist durch die Leistungen begrenzt, die neben der LED im Treiber anfallen. Eine Grenze für den sinnvollen Einsatz von linearen Stromtreibern in Fahrzeugen liegt üblicherweise im Bereich von 40 bis 70 mA. Darüber hinaus müssen Entwickler Maßnahmen ergreifen, damit sich die Treiberbausteine nicht unzulässig erwärmen. Heute gibt es entsprechende Lösungen zum Wärmemanagement, um diese Leistungsgrenze auf mehr als 150 mA zu erhöhen. Gute Beispiele für passende Lösungen sind die LED-Regler (Linearregler) E522.80/81/82/83 von Elmos Semiconductor, die sich mit drei integrierten Stromquellen für einen Gesamtstrom von bis zu 450 mA eignen.

Für kleine Ströme und Leistungen bis etwa 40 bis 70 mA wie zum Beispiel bei Blink- oder Rückleuchten können Stromquellen-ICs wie die Linearregler E522.80/81/82/83 geeignet sein.

Für kleine Ströme und Leistungen bis etwa 40 bis 70 mA wie zum Beispiel bei Blink- oder Rückleuchten können Stromquellen-ICs wie die Linearregler E522.80/81/82/83 geeignet sein. Elmos Semiconductor

Des Weiteren unterstützen die Bausteine dieser Serie Betriebsmodi zur Imitation des Fehlverhaltens einer Glühbirne. Ohne weitere externe Komponenten lassen sich Leuchtdioden-Cluster hinsichtlich ihrer Fehlerbehandlung zusammenfassen. Weltweit gibt es unterschiedliche Zielstellungen oder gesetzliche Vorgaben zur Behandlung einzelner LED Ausfälle – von der Toleranz des Fehlers bis zur kompletten Deaktivierung des unvollständigen Leuchtmittels. Alternativ kann bei einem lokalen Controller ein PWM-Signal mögliche Hardware-Defekte präzise identifizieren und an das Steuergerät zurückmelden.

Boost-2-GND-Topologie

Boost-2-GND ist eine klassische Topologie, auch Hochsetzsteller oder Step-Up-Converter genannt. Sie ist sehr effizient und in der Regel EMV-freundlich. Allerdings ist sie nur dann einsetzbar, wenn die Lastspannung in jedem Betriebsfall größer ist als die Eingangsspannung. Deshalb kommt sie in der Fahrzeugbeleuchtung kaum zum Einsatz. Eingangsströme von Boost-Wandlern sind infolge ihres induktiven Speichers an der Versorgung weitgehend konstant und daher einfacher zu filtern als bei anderen Topologien. Hinsichtlich der verwendbaren Lastbereiche, unter Einbeziehung der Jumpstart-Forderung (Versorgung über längere Perioden mit bis zu 28 V) bleiben Spannungen von 30 bis 60 V. Aufgrund der hohen Temperaturabhängigkeit von LEDs ist dieses Fenster kaum technisch nutzbar.

Nicht zuletzt erfordern Ausgangspannungen ab 60 V besondere Maßnahmen, um einen ausreichenden Berührschutz zu gewährleisten. Im Zuge von OLED-Stapeln mit größerer Vorwärtsspannung könnte Boost-Wandlern allerdings wieder eine wichtigere Rolle zufallen. Lösungen für Boost-Wandler für LED-Ansteuerungen sind beispielsweise die Elmos-Bausteine E522.31/32/33/34.

Boost-to-Battery-Topologie

In dieser Topologie, die im Grundprinzip dem klassischen Booster ähnelt, bezieht sich der Fußpunkt der LED-Last nicht auf die Masse sondern auf die Versorgungsspannung. Diese auch Boost-to-Battery- oder kurz Boost-2-Bat-Topologie kann aus einer weitgehend beliebigen Eingangsspannung beliebige Ausgangsspannungen erzeugen. Somit ist sie technisch gesehen eine Buck-Boost-Topologie.

Die Boost-to-Battery-Topologie (Boost-2-Bat) kann aus einer weitgehend beliebigen Eingangsspannung beliebige Ausgangsspannungen erzeugen; es muss allerdings ein differenzieller Strommessverstärker vorhanden sein.

Die Boost-to-Battery-Topologie (Boost-2-Bat) kann aus einer weitgehend beliebigen Eingangsspannung beliebige Ausgangsspannungen erzeugen; es muss allerdings ein differenzieller Strommessverstärker vorhanden sein. Elmos Semiconductor

Der Lowside-Schalter lädt in einer ersten Phase Strom in die Induktivität, in der zweiten Phase (Lowside abgeschaltet) wird die gespeicherte Energie über die Freilaufdiode zum Ausgang zurück kommutiert. Kapazitäten helfen, die Ströme zu glätten und der – im Allgemeinen durch den LED-Hersteller aufgestellten – Forderung nach kleinen Wechselstromanteilen nachzukommen.

Zwingende Voraussetzung für den Einsatz dieser Topologie ist ein differenzieller Strommessverstärker, der über weite Gleichtakt-Spannungsbereiche präzise misst. Die LED-Treiber E522.31/32/33/34 von Elmos enthalten spezielle Verstärker und messen im Bereich von 4 bis 55 V mit weniger als 3 mV Offset-Spannung über den gesamten Temperaturbereich bis 150 °C. Für kostengünstige geschaltete Anwendungen stellen sie ein festfrequentes Strom-Regelprinzip bereit. Ferner bieten sie auch die Möglichkeit zur externen Frequenz-Synchronisation sowie eine optional verwendbare interne Spread-Spectrum-Modulation (Frequenzspreizungs-Modulation), die bei hohen EMV-Anforderungen hilft, die Grenzwerte, etwa nach CISPR25, einzuhalten.

Ergänzende Eigenschaften sind verschiedene Diagnosefunktionen innerhalb des Bausteins und in der Außenbeschaltung, zusätzlich eine Spannungsfestigkeit bis 60 V, aber auch digitale sowie analoge Dimm-Funktionen. Interne Automotive-Spannungsregler (LDOs) ermöglichen es, Controller oder analoge Hilfsschaltungen mit gleichzeitig 3,3 V und 5 V zu versorgen.

Buck-to-Ground-Topologie

Die zweite klassische Topologie, die Buck-to-Ground- oder kurz Buck-2-GND-Topologie, ist der Tiefsetzsteller oder Abwärtswandler (Step-Down- oder Buck-Converter). Er kann Lasten mit einem Spannungsbedarf, der kleiner ist als die Eingangsspannung, sinnvoll bedienen. Der Wandler eignet sich in der Regel für ein bis zwei LEDs mit hohen Strömen. Im Gegensatz zur Boost-Topologie stellen sich beim Abwärtswandler auf der Versorgungsseite Ströme ein, die mit dem Laststrom nach oben begrenzt sind. Daher sind hier Derating-Mechanismen für die Spannung nicht so sehr erforderlich wie bei Boost-Strukturen.

Anwendungen für Abwärtswandler können Tagfahrlicht (DRL), Nebellicht, Abblendlicht oder Bremsleuchten sowie das Rückfahrlicht sein. Für den Markt gibt es bereits entsprechende Beleuchtungen, beispielsweise für Ströme bis 2 A auf Basis des Abwärtswandlers E522.10 von Elmos. Für LED-Ströme bis 6 A eignen sich Lösungen auf Basis von Schaltregler-ICs, die eine flexible Wahl des On-Widerstands in externen Treibertransistoren erlauben. Damit lassen sich diese Anwendungen weiter kostenoptimieren. Eine mögliche Topologie kann Buck-to-Battery sein, zum Beispiel mit den LED-Reglern E522.31/32/33/34.

Buck-to-Battery-Topologie

Eine weitere Topologie, in der Lowside-Controller mit N-Typ-Transistoren zum Einsatz kommen, ist der Buck-Wandler mit Bezug zur Versorgung (Buck-to-Battery- oder kurz Buck-2-Bat-Topologie). Dabei erhalten die LED-Lasten bezogen auf die Batterie negative Ladungen, wodurch sich ihr Potenzial immer zwischen der Batterieversorgung und der Masse befindet. Geglättete Ströme aus der Induktivität versorgen dabei die mit den LEDs in Reihe geschaltete Last, während die Ladung und Entladung der Energie im Wechsel über den Lowside-Schalter oder die Freilaufdiode erfolgt.

Die Buck-to-Battery-Topologie kann durch kleinere Spannungshübe am Leistungsschalter helfen, die Schaltverluste in den Flanken sowie die Abstrahlung durch hohe Schaltpegel zu reduzieren.

Die Buck-to-Battery-Topologie kann durch kleinere Spannungshübe am Leistungsschalter helfen, die Schaltverluste in den Flanken sowie die Abstrahlung durch hohe Schaltpegel zu reduzieren. Elmos Semiconductor

Durch kleinere Spannungshübe am Leistungsschalter kann diese Topologie helfen, die Schaltverluste in Flanken sowie die Abstrahlung durch hohe Schaltpegel zu verringern. Die Lösung ist flexibel, weil sie sich über den externen Schalter immer auf gegebene Strom- und Spannungsbedingungen anpassen lässt. Bei der Komponentenauslegung müssen Entwickler in dieser Topologie immer das maximale Tastverhältnis (Duty Cycle) beachten, das der Wandler bereitstellt. Elmos empfiehlt, diese Topologie mit der klassischen Buck-Topologie zu vergleichen, die meist ein Tastverhältnis von 100 % erlaubt und damit den verwendbaren Eingangsspannungsbereich nach unten besser ausnutzen kann. Weil auch die Buck-to-Battery-Topologie differenzielle Verstärker benötigt, unterstützt Elmos die Entwickler bei der Implementierung, beispielsweise mit fertigen, vollständigen Demonstrationsschaltungen.

Eine vielfach unterschätzte Anforderung sind die Effektivwerte der Ströme in den Kondensatoren zur Pufferung von Versorgungsspannungen. Bei Buck-Wandlern (und Buck-to-Battery) sind diese Ströme trapez- oder rechteckförmig. Am Beispiel von 50 % Tastverhältnis eines Buck-Wandlers führt dies zu einem effektiven RMS-Strom in Höhe des halben Laststromes auf der Ausgangseite.

Bild 5_Elmos_ael05-06-2016Insbesondere bei der Effektivstrom-Problematik können die LED-Wandler E522.32/34 mit zwei integrierten Regelkreisen helfen; sie sind auch für Mehrphasensysteme einsetzbar. Sowohl durch einen Versatz der Phasen der Leistungskreise um 180° als auch durch die Aufteilung des Stromes lassen sich die Effektiv-Leistungen in verschiedenen Komponenten deutlich vermindern.

Sepic-Topologie

Die Sepic-Topologie benötigt prinzipbedingt lowside-schaltende Wandler, wie zum Beispiel die LED-Regler-Familie E522.31/32/33/34. Spannungsanforderungen für Transistoren und Dioden in einer Sepic-Anwendung leiten sich sowohl von der Ein- als auch von der Ausgangsspannung ab (in der Regel die Summe aus beiden). Deshalb ist der Einsatz von externen Leistungsschaltern empfehlenswert. Diese stehen am Markt in hoher Qualität und Vielfalt zur Wahl und können sowohl in Spannungsfestigkeit als auch vom Arbeitsstrom flexibel ausgewählt werden. Für die Wahl der Koppelkondensatoren spielen hohe RMS-Stromanforderungen ein Rolle, werden daher typischerweise keramisch ausgeführt.

Vielfach stellt sich die Frage, ob eine Kopplung beider Spulen erforderlich ist. Vom Arbeitsprinzip ist dies nicht erforderlich, aber: Durch die Kopplung auf einem Kern arbeitet dieser, vereinfacht gesagt, gegen den Stromanstieg in beiden Spulen. Aus diesem Zusammenhang ergibt sich, dass eine gekoppelte Spule nur den halben Induktivitätswert gegenüber der Lösung mit zwei getrennten Spulen aufweisen muss. Oftmals stellt sich damit heraus, dass aufgrund dieses Zusammenhangs die gekoppelte Spule sowohl hinsichtlich Bauraum als auch in Bezug auf die Kosten vergleichbar ist. Regelungstechnisch ist die Kopplung ebenfalls vorteilhaft, weil sie die Komplexität relevanter Polstellen reduziert.

Zeta, der unbekannte Wandler

Ein Zeta-Wandler ist im Prinzip ein auf den Kopf gedrehter Sepic-Wandler. Er verwendet im Gegensatz zum Sepic einen Highside-Schalter. Ein zur Sepic-Topologie vergleichbares Netzwerk transferiert die Energie zum Ausgang. Der Vorteil dieser Topologie ist die geringere Spannungsfestigkeit, die für den koppelnden Kondensator zwischen den Spulen notwendig wird. Darüber hinaus gelten weitestgehend vergleichbare Prinzipien wie bei der Sepic-Topologie, auch für Kopplung zwischen den induktiven Speichern.

Generell eignen sich Buck-Wandler-ICs, um sie in Zeta-Topologie zu betreiben. Der Leistungsschalter muss bezüglich des Massepotenzials des Wandlers eine negative Drain-Spannung in Höhe der Ausgangsspannung tolerieren. Aus diesem Grund sind synchrone Treiberstufen ungeeignet; vielmehr müssen Treiber mit externen P-FETs oder integrierten Transistoren mit freiem Drain-Anschluss zum Einsatz kommen. In Frage kommen hier die Controller E522.01-09 und E522.10 von Elmos.

Hinsichtlich der EMV verhält sich die Zeta-Topologie vergleichbar mit Buck-Wandlern. Es kommt zu nicht-kontinuierlichem Eingangsstrom und kontinuierlichem Ausgangsstrom. Für Spannungsversorgungen mit kleineren Lasten und Kaltstart-Anforderungen (Cold-Cranking) kann die Zeta-Topologie aber eine interessante Alternative sein. Implementierungen lassen sich auf Basis der Wandler E522.10 sowie der Regler-Familie E522.01-09 realisieren. Diese Buck-Wandler mit integriertem Treiber mit Drain-Spannungstoleranzen bis kleiner als -10 V eignen sich auch im Speziellen für Zeta-Topologien.