Voll-LED-Scheinwerfer

NXP Semiconductors

Um das volle Leistungspotenzial von LED-basierten Lösungen im Automotive-Bereich nutzen zu können, gilt es, eine Reihe besonderer Herausforderungen zu meistern. So müssen die eingesetzten LED-Systeme in der Lage sein, eine stabile Lichtmenge mit konstantem Lichtfluss und konstanter Farbe zu liefern, trotz schwankender elektrischer und thermischer Bedingungen im Scheinwerferbereich.

Die von einer LED abgegebene Lichtmenge ist proportional zum anliegenden Strom, der durch die LED fließt; durch Streuungen im Fertigungsprozess können aber unterschiedliche Lichtausbeuten bei identischen Ansteuerungsströmen auftreten. Um solche unerwünschten Schwankungen zu vermeiden, werden die eingesetzten LEDs normalerweise auf Grundlage verschiedener Parameter wie Flussspannung oder Strahlungsleistung nach Helligkeitsklassen (Bins) selektiert. Damit wird sichergestellt, dass LEDs identischer Helligkeitsklasse konsistentere Eigenschaften bei Lichtmenge und Farbklasse aufweisen.

Darüber hinaus müssen die eingesetzten LEDs innerhalb eines Umgebungstemperaturbereichs von ‑40 °C bis +125 °C die vorgeschriebene anwendungsspezifische Mindeststrahlleistung sicher erreichen.

Um diese Strahlleistung sicherzustellen, müssen unter Umständen mehrere LEDs zum Einsatz kommen. Eine solche kombinierte Nutzung diverser Hochleistungs-LEDs erfordert besondere Kühlmaßnahmen, da die erreichte Lichtausbeute mit zunehmender LED-Temperatur beträchtlich sinkt und sich die Lichtfarbe verändert. Gemäß den Anforderungen in der Automobilindustrie muss die eingesetzte LED-Lösung darüber hinaus die strengen Anforderungen des AEC-Q100-Standards erfüllen.

Auswirkungen von LEDs auf die elektronische Systemarchitektur

Um die vielfältigen Vorteile von LEDs im Automobilbereich nutzen zu können, müssen die verwendeten elektronischen Treiberlösungen innerhalb einer Systemarchitektur für konventionelle Beleuchtungssysteme einsetzbar sein.

Konventionelle Glühlampensysteme werden normalerweise durch einfaches Durchschalten der Batteriespannung innerhalb des Body Control Module (BCM) angesteuert. Bei einem erforderlichen Dimming der Lichtquelle kann dieses Signal per Pulsbreitenmodulation (PWM) variabel verändert werden, um so kleinere durchschnittliche Stromwerte zu erreichen. Defekte Leuchtmittel können durch das BCM aufgrund des nicht fließenden Stroms auf einfache Weise erkannt werden.

Bild 1: Systemarchitektur zum Einsatz von LED-Lichtquellen im Automobil-Bereich.NXP Semiconductors

Bild 1 zeigt die Hauptkomponenten eines Lighting Control Module (LCM) zur Ansteuerung von LEDs. Die LEDs selbst sind in einem separaten LED-Modul verbaut, das über das Driver Control Module angesteuert wird.

Wie bereits oben beschrieben erfordern LEDs, die für Scheinwerferanwendungen im Automobilbereich zum Einsatz kommen, oftmals geeignete Kühlmaßnahmen. Aus diesem Grund wird in unmittelbarer Nähe der LEDs ein Temperatursensor vorgesehen. Das Sensorsignal wird durch das LCM überwacht, um Störungen aufgrund einer Überhitzung der LEDs zu vermeiden.

Die Erkennung der LED-Helligkeitsklasse wird im Normalfall über einen Binning- beziehungsweise Codier-Widerstand sichergestellt. Durch die Messung dieses Widerstands kann das LCM genau erkennen, welcher Strom zur Realisierung der jeweils funktionsbezogen erforderlichen Strahlleistungen an den LEDs anzulegen ist.

Das LCM erhält die entsprechenden Leistungs- und Steuersignale vom Fahrzeug-BCM; man findet auch Architekturen, bei denen eine eigene Steuerleitung vom Body Control Module vorgesehen ist. Soll eine vorhandene LED-Gruppe zum Beispiel sowohl für Tagfahr- als auch für Parklichtanwendungen zum Einsatz kommen, kann die gewünschte Funktion über ein Steuersignal ausgewählt werden.

Zur Bereitstellung eines geregelten Stromwerts an die LED-Gruppe wird eine entsprechende Treiberschaltung genutzt. Der Aufbau dieser Schaltung kann mithilfe unterschiedlicher Architekturen erfolgen; mit zunehmenden Leistungswerten spielt der Wirkungsgrad der Anwendung jedoch eine immer wichtigere Rolle – aus diesem Grund kommen in vielen Fällen leistungsfähige Gleichspannungswandler zum Einsatz. Diese Wandler können in verschiedenen Grundschaltungen (Topologien) betrieben werden: als Aufwärtswandler (Boost Converter), Abwärtswandler (Buck Converter) oder in kombinierten Buck-/Boost-Topologien. Jede Topologie hat dabei bei Flexibilität, Wirkungsgrad und Systemkosten spezifische Vor- und Nachteile.

Ein wichtiger Aspekt bei der Auswahl der geeigneten Topologie betrifft auch die Bandbreite der Versorgungsspannungen, mit denen das LCM von der Batterie versorgt wird: Sie können zwischen nur 6 V – bei einem Kaltstart mit modernen Start/Stopp-Motoren – bis hin zu 24 V schwanken. Da der Fahrzeughersteller üblicherweise eine kontinuierliche Bereitstellung der externen Beleuchtungsfunktionen trotz dieser Schwankungen vorschreibt, muss die eingesetzte Treiberschaltung in der Lage sein, die verwendeten LED-Gruppen trotz variabler Eingangsspannungen jederzeit mit der korrekten Ausgangsspannung und dem korrekten Stromwert anzusteuern. Hier kommt in den meisten Fällen eine Buck-/Boost-Topologie zum Einsatz, da sie hinsichtlich der Bereitstellung stabiler Ausgangsspannungen unabhängig  von der verfügbaren Eingangsspannung das größte Maß an Flexibilität bietet und kleinere Nachteile beim Wirkungsgrad der unterschiedlichen Topologien vernachlässigt werden können.

Wie oben bereits erwähnt, werden die LEDs über das LCM mit einem pulsbreitenmodulierten Wechselstrom angesteuert. Um zu vermeiden, dass dieses modulierte Signal ein sichtbares Flackern der LED hervorruft, werden üblicherweise ausschließlich Modulationsfrequenzen oberhalb von 200 Hz verwendet. Das LCM muss in diesem Zusammenhang die über das Body Control Module bereitgestellte Eingangsleistung in einen PWM-Strom mit einem geeigneten Tastverhältnis umwandeln, um die LED mit dem richtigen Durchschnittsstrom zu versorgen.

Die Nutzung einer DC/DC-Wandlertopologie stellt auch besondere Anforderungen an die Störunanfälligkeit des Steuermoduls. Hierbei ist die Wahl eines geeigneten Schaltungsdesigns und Platinenlayouts von entscheidender Bedeutung, um unerwünschte elektromagnetische Störungen  zu vermeiden.

Wie aus dem Blockdiagramm in Bild 1 ersichtlich, sind die separaten LED-Gruppen über ein Steckerelement mit dem Ansteuermodul verbunden. Das erfordert einen besonderen Kurzschlussschutz der Dioden gegen Masse beziehungsweise gegen die Batteriepole, um bei einem auftretenden Fehler des Verbindungselements die LEDs und potenziell auch die Treiberschaltung vor Zerstörung zu schützen.

Neben diesem Kurzschlussschutz muss das LCM auch Defekt-LEDs erkennen und in einem solchen Fall gegebenenfalls ein entsprechendes Diagnosesignal senden, um den Fahrer über den Ausfall zu informieren.

Das LCM muss in seiner Funktion die hohen sicherheitsrelevanten Anforderungen der Automobilindustrie abdecken: Sowohl das Modul als auch die enthaltenen Komponenten müssen automotive-qualifiziert sein und den AEC-Q100-Standard erfüllen. Die Beleuchtung stellt eine sicherheitsrelevante Fahrzeugfunktion dar; damit werden höchste Anforderungen an die Zuverlässigkeit der verwendeten Bauelemente gestellt. Die Ansteuerelektronik für LED-Systeme ist also bedeutend komplexer als Elektronik für herkömmliche Glühlampensysteme.

LED-Treiber-IC-Lösungen für konventionelle Glühlampenarchitekturen

Bild 2: Typisches Systemschaltbild für den Einsatz des ASL1010PTK-Treiber-ICs für Scheinwerferanwendungen im Automobil-Bereich.NXP Semiconductors

Neben den hohen Anforderungen bezüglich Funktionalität, Flexibilität, Zuverlässigkeit und einfacher Systemintegration ist die Reduzierung der Systemkosten essentiell.

Eine gute Lösung bietet in diesem Zusammenhang NXP Semiconductors mit dem Treiber-IC ASL1010PTK. Durch Integration aller für Automotive-LED-Anwendungen wichtigen Funktionen stellt dieser Chip eine kompakte All-in-One-Lösung zur Verfügung, die nur wenige zusätzliche Bauelemente erfordert und damit eine Entwicklung von kostengünstigeren LED-Modulen ermöglicht.

Gleichzeitig bietet diese Systemlösung von NXP die notwendige Flexibilität, um ohne Anpassungen des Leiterplattendesigns, für unterschiedliche Fahrzeugplattformen und LED-Konfigurationen eingesetzt werden zu können. Redundante plattformübergreifende Funktionsumfänge werden durch das integrierte Design vermieden; darüber hinaus erfordert der NXP-Chip keinen weiteren externen Mikrocontroller.

NXPs ASL1010PTK basiert auf einer Buck-/Boost-Topologie, die eine sichere Ansteuerung der LEDs über die Standardbatteriespannung und vorhandene glühlampenbasierte Architekturen ermöglicht. Das System bietet maximale Flexibilität für Ausgangsspannungen zwischen 6 bis 60 V und ist für alle heute auf dem Markt verfügbaren LEDs einsetzbar. So eignet es sich ideal zur Ansteuerung von ultrahellen LEDs, die innerhalb von bestehenden elektrischen Systemen für Glühlampenbeleuchtungen zum Einsatz kommen müssen.

NXP fertigt den ASL1010PTK in der High Performance Mixed-Signal-Technologie ABCD9, die eine nahtlose Integration analoger Signalverarbeitung  mit digitaldesign ermöglicht. Die Treiberschaltung kann flexibel mit Versorgungsspannungen von 6 bis 60 V betrieben werden, was besonders für den Einsatz in Fahrzeugen mit Start/Stopp-Systemen nötig ist, und natürlich erfüllt das Produkt auch die Störfestigkeitsanforderungen gemäß ISO 7637.

Durch die hohe Integrationsdichte des Treiber-ICs werden nur sehr wenige externe Komponenten benötigt und das System lässt sich sehr flexibel einsetzen. Die einfache Schaltung in Bild 2 ermöglicht folgende Anwendungen:

• Bereitstellung von Temperaturinformationen zur Temperatur- und Leistungsregelung der LED,
• Unter- und Überspannungsschutz der LEDs,
• Kurzschlussschutz von LEDs und Treiber-IC gegen Masse und Batterie,
• Umschalten in Low-Power-Modus (zur Nachbildung einer Glühlampe) bei einem auftretenden LED-Fehler,
• flexible Nutzung unterschiedlicher Stromwerte und PWM-Programmierung,
• interne Erzeugung eines PWM-Signals zum Dimmen von LEDs; ermöglicht den Einsatz derselben LED als Tagfahr- und Parklicht.
• Mit seinem sehr kleinen und thermisch hocheffizienten Gehäuse (HVSON14 – 3 x 4 mm) ist der Treiberchip zur Versorgung von LED-Gruppen mit Stromstärken bis zu 1 A einsetzbar (Bild 3).

Bild 3: Der ASL1010PTK von NXP kann LED-Gruppen mit Stromstärken bis zu 1 A treiben.NXP Semiconductors

Das Referenzdesign dieses Chipsystems kann direkt in Kombination mit der vorhandenen elektrischen Architektur zur Versorgung von Glühlampensystemen eingesetzt werden und erfordert somit keine teuren Anpassungen und Modifikationen durch den Fahrzeughersteller.

(jj)