DC/DC-Controller für LED-Scheinwerfer von Fahrzeugen

In modernen Fahrzeugscheinwerfern werden zunehmend LEDs eingesetzt. Allerdings sind dafür hocheffiziente und leistungsfähige DC/DC-Stromversorgungen notwendig.

Innovationen in der Beleuchtungstechnik im Fahrzeug werden heute, wie auch in Industrieanwendungen oder im Haushalt, zumeist durch LEDs umgesetzt. In den letzten Jahren ist der Anteil in Front- und Rücklichtsystemen deutlich angestiegen. LEDs dominieren bereits Lichtlösungen in Premium-Fahrzeugen und werden nach und nach auch im Kompaktsegment eingeführt. Derartige Lichtlösungen sind attraktiv und erlauben dem Fahrzeughersteller auch eine Differenzierung im Markt.

Noch vor wenigen Jahren wurden LEDs hauptsächlich in Signallichtfunktionen wie Tagfahrlicht, Blinker oder Rücklicht als designunterstützende Elemente verwendet. Mittlerweile haben sie aber auch im Hauptlicht (Abblendlicht, Fernlicht) auf breiter Front Einzug gehalten. Das Xenonlicht als Premiumlösung für Abblendlicht-/Fernlicht hat ausgedient, aktuelle Lösungen mit LEDs sind bei gleicher Leistung nicht mehr teurer und funktional im Vorteil. LED-Scheinwerfer zeichnen sich durch eine hohe Lichtausbeute bei sehr homogener Ausleuchtung mit tageslichtähnlicher Lichtfarbe aus.

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Eine wesentliche Rolle spielen LEDs im Scheinwerfer auch bei adaptiven Lichtfunktionen. Dabei passt sich der Lichtkegel immer der aktuellen Fahrsituation an. Die hohe Reichweite des Autobahnlichts oder eine breite Ausleuchtung der Straße innerorts stellen sehr unterschiedliche Anforderungen an das Lichtsystem, die sich mit LEDs gut umsetzen lassen. Blendfreies Fernlicht ist dabei eine weitere Premiumfunktion und derzeit einer der wichtigsten Innovationstreiber im Beleuchtungsbereich. Der Fahrer kann dabei dauerhaft mit Fernlicht fahren, ohne vorausfahrende oder entgegenkommende Fahrzeuge zu blenden. Um zusätzlich die Reichweite des Lichtkegels zu erhöhen, kommen bei einigen Frontscheinwerfern noch Laserdioden oder Hochstrom-LEDs zum Einsatz, die als Art zweites Fernlicht (Fernlichtspot) bis zu 600 m weit reichen können. Das ist ein deutlicher Komfort- und Sicherheitsgewinn, der derzeit zwar für die Premiumklasse vorbehalten ist, aber in Zukunft auch in anderen Fahrzeugklassen Einzug halten könnte.

Derartige innovative Lösungen wie hochauflösende Pixel- oder Laser-Scheinwerfer stellen jedoch nicht nur neue Anforderungen an die Ansteuerelektronik. Mit Strömen für Einzel-LEDs von bis zu 6 A, beziehungsweise mit Systemleistungen von teilweise deutlich über 50 W in Verbindung mit Spitzenströmen von bis zu 15 A kommt vielmehr auch der Leistungsversorgung eine zentrale Bedeutung zu.

Die heutigen DC/DC-Konzepte für die LED-Ansteuerung im Automobil basieren meist auf asynchronen Boost- oder Buck-DC/DC-Topologien oder einer Kombination: einem zweistufigen Konzept (Zwischenkreis) mit zentraler Boost-Stufe und nachgeschalteten Buck-Wandlern. Die Zwischenkreislösung bietet zwar eine gute Skalierbarkeit, kommt hier aber vor allem aufgrund eingeschränkter Effizienz schnell an Ihre Grenzen.

Mit Blick auf diese neuen Anforderungen muss daher über neue, synchrone und effiziente Ansätze nachgedacht werden, die dem Elektronikentwickler das Design erleichtern. Um dem Rechnung zu tragen, hat Infineon mehrere neue synchrone DC/DC-Wandler der LITIX-Power- und Power-Flex-Familien am Markt eingeführt.

Effiziente Power für LED und Laserdioden

Der TLD5190QV (Bild 1) erweitert als H-Brücken-Treiber die etablierte DC/DC-LED-Treiber-Familie LITIX Power. Wie alle LITIX-Power-Bausteine, hat auch der TLD5190QV keine SPI-Schnittstelle. Damit ist er besonders für LED-Steuerungselektroniken ausgelegt, bei denen kein Mikrocontroller benötigt wird und die deshalb relativ einfach zu implementieren sind. Der neue Treiber ist für die Fälle konzipiert, bei denen zwar nur die wichtigsten Diagnosefunktionen abgebildet werden, aber dafür der Betrieb ohne Mikrocontroller erleichtert wird.

Der synchrone MOSFET-H-Brücken-DC/DC-Controller ist besonders vorteilhaft, wenn man High-Power-LEDs mit maximaler System-Effizienz betreiben möchte und die LED-Strangspannung sich sowohl auf, oberhalb als auch unterhalb der Batteriespannung befindet. Der synchrone H-Brücken-Ansatz (Bild 2) ist im Grunde eine Kombination aus einer synchronen Buck- mit einer synchronen Boost-Stufe.

Der TLD5190QV bietet sowohl analoges als auch digitales Dimmen (PWM), Schutzfunktionen für den Baustein und die Last sowie eine Ausgangsstrom-Genauigkeit von ±3%. Die Schaltfrequenz ist als fester Wert zwischen 200 und 700 kHz einstellbar. Der Treiber bietet einen weiten Eingangs- (4,5 bis 40 V) und Ausgangs-Spannungsbereich (2 bis 55 V) und kann auch mit einer externen Taktquelle synchronisiert werden. Eine integrierte „Spread-Spectrum“ (FLAT Spectrum Feature)-Modulation sorgt dabei für ein ausgezeichnetes EMV-Verhalten.

Dank des selbstregulierenden Verhaltens der LITIX-H-Brücke befindet sich diese immer im optimalen Arbeitspunkt, wodurch im gesamten typischen Bordnetzspannungsbereich eine Effizienz von deutlich über 90% gewährleistet werden kann (Bild 3).

Optimiert für höchste und flexible Anforderungen

Gerade bei innovativen Lichtelektronikkonzepten ist eine optimierte Anpassung der Eigenschaften des DC/DC-Wandlers und eine erweiterte Diagnosefähigkeit der Last gewünscht oder sogar notwendig. DC/DC-Treiber mit höherem Funktions- und Diagnoseumfang besitzen daher sehr häufig eine SPI (Serial Peripheral Interface)-Schnittstelle für die Verbindung mit dem Mikrocontroller. Damit lässt sich zum Beispiel der Ausgangsstrom einstellen (analoges Dimmen) oder die IC-internen Diagnoseregister auslesen. Der LED-Treiber TLD5541-1QV (Bild 4), der auf dem gleichen synchronen H-Brücken-Grundprinzip wie der TLD5190QV aufbaut und somit auch ähnliche Basiseigenschaften besitzt, steht als Beispiel für einen solchen leistungsfähigen DC/DC-Wandler mit SPI-Schnittstelle.

Die beiden H-Brücken-Bausteine TLD5190QV und TLD5541-1QV sind aufgrund ihrer Features und der hohen Effizienz eine perfekte Wahl für den Betrieb von zwei bis vier in Serie geschalteter Hochstrom-LEDs mit bis zu 6 A oder Laserdioden. Eine gängige Anwendung sind Fernlichtspots oder die Hintergrundbeleuchtung für passive Frontlicht HD-Pixel-Lösungen wie DMD oder LCD.

Besonders in Systemen mit hohen Leistungsanforderungen (z.B. 100 W) wird der Vorteil von synchronen Buck-Boost-DC/DC-Controllern klar. Während beim Zwischenkreiskonzept die Effizienz durch den zweistufigen Ansatz (Boost mit Buck nachgeschaltet) deutlich reduziert wird (η_BOOST^.η_BUCK) kann die H-Brücken Topologie (η_H-BRIDGE >90%) mehr als 10% der Verlustleistung in der DC/DC-Stufe reduzieren. Außerdem wird der Vorteil des DC/DC-Controllers mit externen MOSFETs offensichtlich, bei dem die Verlustleistung der Leistungsstufe getrennt vom Controller-IC ist und besser an der Leiterplatte verteilt bzw. abgeführt werden kann.

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