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Zweikanal-Buck/Boost-Controller für die Kfz-LED-Beleuchtung

| Autor / Redakteur: Takuya Hattori * / Gerd Kucera

Die erforderliche LED-Spannung (VBOOST) hängt von der Anzahl der LEDs, deren Durchlassspannungen und dem erforderlichen Strom ab. Um den Anwendungsbereich nicht einzuschränken, ist VBOOST im Bereich von 20 bis 66 V vollständig programmierbar. Daher lässt sich die Spannung bei Bedarf dynamisch in der Anwendung variieren. Der Standardwert wird durch den externen Widerstand RCFG2 im Limp-Home-Modus eingestellt. Die Boost-Schaltfrequenz ist auf Basis eines internen Oszillators im Bereich von 63 bis 500 kHz einstellbar. Damit lassen sich sowohl elektromagnetische Störsignale (EMI) reduzieren als auch externe Komponenten optimieren.

Durch den internen Oszillator sind weder ein externer Quarz noch eine kontinuierliche Kommunikation erforderlich. Auch die Boost-Schaltfrequenz kann über den externen Widerstand RCFG1 im Limp-Home-Modus eingestellt werden (Anm. d. Red.: die Erklärung des Limp-Home-Modus erfolgt später im Artikel an der für die Schaltungstechnik relevanten Stelle). Es gibt auch einen SYNC-Eingang für den Boost zur Reduzierung von EMI, beispielsweise durch Spread Spectrum oder durch einen gegenphasigen Betrieb zu anderen Schaltregelern. Zur Gewährleistung der funktionalen Sicherheit dient ein Überspannungsschutz (OVP) für VBOOST.

Zwei programmierbare Buck-Regler

Es stehen zwei Buck-Wandler zur Verfügung, die zwei getrennte LED-Reihen unterstützen können. Beide Regler sind unabhängig programmierbar, was eine vollständige Flexibilität in der Anwendung ermöglicht. Die Buck-Wandler können entweder über den Boost-Kanal oder durch eine externe Versorgung betrieben werden.

Aufgrund des zu erwartenden hohen Strombedarfs handelt es sich um synchrone Regler mit externen FETs (QNH und QNL). Das Blockdiagramm eines jeden Boost-Kanals zeigt Bild 3. Beide Kanäle nutzen eine konstante Off-Time-Regelung zur Optimierung des Verhaltens bei wechselnden Lasten. Der BD18312MUF-M prüft vor dem Start, ob an diesem Widerstand ein offener Schaltkreis vorliegt. Die Verwendung des Abtastwiderstands ermöglicht eine sehr genaue Stromregelung. Da die High Side (QNH) ebenfalls ein NMOS-Typ ist, wird ein Bootstrap-Kondensator (CBOOT1) benötigt. Durch die externen FETs ist ein hoher Wirkungsgrad sichergestellt und die Verlustwärmeabfuhr vom Regler-IC getrennt.

Die Kanäle verwenden einen hochpräzisen externen Sense-Widerstand (RSNS) zur Erfassung des aktuellen LED-Stroms und zur Implementierung des Überstroms. Zudem nutzen sie einen weiteren externen Widerstand zum Einstellen von Off-Time (RTOFF). Dies gestattet eine sehr genaue, temperaturunabhängige Regelung von ILED_AV und Off-Time. Der Strom kann programmiert und der Standardwert durch einen externen Widerstand (RCFG1) eingestellt werden. Die Buck-Schaltfrequenz ist im Bereich von 25 kHz bis 1 MHz programmierbar. Damit lassen sich sowohl die EMI optimieren als auch die externen Komponenten so weit wie möglich minimieren.

Bei LEDs ist es besser, die Lichtintensität durch eine Pulsweitenmodulation (PWM) zu regeln als durch eine Amplituden-Modulation. Dadurch wird jede Farbverschiebung vermieden und ein größerer Regelbereich erreicht. Beide Buck-Kanäle verfügen über unabhängige PWM-Eingänge für die Regelung.

Für funktionale Sicherheit bietet der Boost-Wandler Diagnoseschutzmaßnahmen wie Kurzschluss- und Leerlaufschutz. Eine „offene“ LED oder eine LED „mit Kurzschluss gegen Masse“ wird durch die Messung von VLED1/2 erkannt. Wenn das der Fall ist, wird der Buck-Kanal deaktiviert. Diese Funktionen entfallen im Blockschaltbild (Bild 3).

A/D-Wandler und interne Stromversorgung

Der LED-Controller BD18312MUF-M verwendet einen 8-Bit-A/D-Wandler, um die kritischen Spannungen (VLED1, VLED2, VB, FB, VCFG1 oder VCFG2) zu erfassen und auf korrekte Inbetriebnahme und Betrieb zu überprüfen. Die abgetasteten Daten können über die SPI-Schnittstelle ausgelesen werden, den korrekten Betrieb bestätigen und so den Funktionszustand feststellen.

Zur Versorgung der internen Schaltungen und der Boost/Buck-Gate-Treiber generiert der BD18312MUF-M seinen eigenen Strom. Dies vereinfacht das Anwendungsdesign und schützt den IC vor externen Rauschquellen. Die Stromversorgungen werden alle auf korrekten Betrieb überwacht. Sie erfordern externe Pufferkondensatoren (CVB, CVDRV5 und CVREG5).

Schutzmaßnahmen und Systemintegration

Der IC besitzt viele Schutz- und Diagnosefunktionen. Im Falle einer niedrigen Versorgungsspannung bei VBAT oder dem internen Regler werden alle digitalen Signale zurückgesetzt; der IC bleibt so lange inaktiv bis sich die Versorgungsspannung wieder erholt. Wenn die Sperrschichttemperatur des Halbleiters 175 °C überschreitet, werden die Boost- und Buck-Wandler deaktiviert. Dies kann aufgrund der hohen Ströme, die der IC unterstützen muss, und möglicher externer Fehler (beispielsweise bei einem Kurzschluss eines Bauteils) auftreten. Schließlich überwacht der IC die SPI-Kommunikation. Wenn das digitale Interface für eine bestimmte Zeit hoch oder niedrig bleibt, wechselt der IC in den Limp-Home-Modus. In diesem Modus arbeitet er ohne die erforderlichen Eingangssignale mit Standardeinstellungen.

Der BD13812MUF-M kann über eine Dual-SPI-kompatible serielle Schnittstelle mit einem Mikrocontroller angesteuert werden. Zur einfachen Schaltungsentwicklung gibt es von ROHM ein Evaluierungssoftware-GUI. Um die Verlustleistung zu reduzieren, lässt sich der BD18312MUF-M mittels eines integrierten EN-Eingang deaktivieren.

Mit Hilfe des digitalen Interfaces werden alle Einstellungen vorgenommen und die Register zur Bestätigung des korrekten Betriebs zurückgelesen. Alle Selbstschutz- und Diagnosemaßnahmen lassen sich ebenfalls auslesen. Dies ist unerlässlich, damit der Regler die korrekte Funktion der Scheinwerfer bestätigen kann.

Mehrere BD18312MUF-M-Bausteine können seriell oder parallel über die Chip-Select-Signale (CSB) geregelt werden. Der serielle Ausgang (SO) verwendet einen Pull-up-Widerstand (RVDDIO) und ist hochohmig, wenn er nicht aktiv ist. Auf diese Weise lassen sich parallele Befehle mit seriellen Befehlen kombinieren und die Kommunikationszeit verkürzen. Die Logik verwendet die intern geregelte Versorgung. Da die Schnittstellen kompatibel mit 3,3- oder 5-V-Signalen sind, ist die kompatible Unterstützung der meisten marktüblichen Automotive-Steuerungen gewährleistet.

Wenn ein Regler in der Anwendung nicht verwendet wird oder ausfällt, wird der BD18312MUF-M auf die Standardeinstellungen (die durch die Widerstände festgelegt sind) für die Boost-Wandler-Frequenz und die Ausgangsspannung zurückgesetzt. Dies wird als „Limp-Home“-Modus bezeichnet. In diesem Modus arbeiten die Buck-Kanäle mit einem festen PWM-Duty-Cycle. Findet für eine bestimmte Zeit keine SPI-Kommunikation statt, wird ein Reglerausfall erkannt.

Der hier vorgestellte neue LED-Treiber BD18312MUF-M erfüllt die hohen Anforderungen an Scheinwerfer bezüglich funktionaler Sicherheit und bietet eine Vielzahl von Optionen. Musterbausteine des Power-Management-ICs für Automobilanwendungen stehen zur Verfügung.

* Takuya Hattori ist IC-Design-Ingenieur bei ROHM Semiconductor, Willich.

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