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

Erste Muster-Bausteine gibt es vom Buck/Boost-LED-Controller BD18312MUF-M. Der Artikel skizziert den LED-Treiber für Automotive-Anwendungen, beispielsweise für die Außenbeleuchtung.

In Automobil-Scheinwerfern kommen zunehmend LEDs zum Einsatz, insbesondere in Premium-Modellen. LEDs benötigen nicht nur weniger Platz und Energie als herkömmliche Lichtquellen, sondern bieten auch die Möglichkeit, den Lichtstrahl aktiver auszugestalten oder das Erscheinungsbild des Fahrzeugs weiter zu individualisieren. Mit dem BD18312MUF-M hat ROHM Semiconductor einen Power-Management-Baustein entwickelt, um die derzeitigen technischen Anforderungen wie hohe Stromstärke, Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer zu erfüllen. Der nach Qualitätsanforderungen AEC-Q100 qualifizierte Zweikanal-Buck-Controller integriert einen Boost-Regler und eignet sich für ein breites Spektrum von LED-Beleuchtungen an modernen Automobilen wie Fern- und Abblendlicht, Matrix-Scheinwerfer, adaptives Fahrlicht (ADB; Adaptive Driving Beam), Lauflicht zur Richtungsanzeige (sweeping R/L).

Die möglichen Optionen zum Ansteuern von LEDs

Zur Ansteuerung einer LED-Reihe eignet sich am besten eine Konstantstrom-Quelle. Dadurch erhält man eine Lichtintensität, die unabhängig von der LED-Durchlassspannung (V_f) ist. Diese Spannung V_f kann je nach Temperatur, Farbe, Hersteller und sogar von Produktions-Charge zu Charge variieren, d.h. eine LED ist prinzipiell für die Spannungsregelung weniger geeignet. Der Konstantstrom-Treiber hingegen kann LEDs auch in Anwendungen mit ständig wechselnden Spannungen ansteuern, zum Beispiel für die Regelung der Lichtintensität oder in Form einer Schaltmatrix. Eine Schaltmatrix gestattet die individuelle Ansteuerung jeder einzelnen LED. Ein Front-Scheinwerfer lässt sich somit während der Fahrt intelligent auf bestimmte Objekte fokussieren. Der LED-Treiber BD18312MUF-M ist ein zwei-kanaliger Konstantstromregler und wurde für solche Schaltmatrix-Applikationen entwickelt.

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Die einfachste Lösung für Automobilscheinwerfer wäre ein linearer Konstantstrom-Treiber, der direkt an die Stromversorgung (Autobatterie mit V_BAT) angeschlossen ist. Das Hauptproblem bei der Verwendung von V_BAT ist der große Eingangsspannungsbereich, typischerweise von 4 bis 40 V. Bei niedrigen Spannungen würde ein linearer Konstantstrom-Treiber nicht funktionieren; bei höheren Spannungen würde die Verlustleistung des Konstantstrom-Treibers zu einer schnellen Überhitzung führen.

Der BD18312MUF-M umgeht dieses Problem durch den Einsatz einer zweistufigen Switched-Mode-(DCDC)-Lösung. In der ersten Stufe erzeugt ein Boost-Wandler eine konstante Spannung (V_BOOST) zur Ansteuerung der LEDs. In der zweiten Stufe liefern zwei Buck-Wandler einen konstanten Strom für zwei LED-Reihen. Zwei Ausgangskanäle unterstützen flexible Anwendungen, zum Beispiel für ein Tagfahrlicht (DRL; Daytime Running Lights). Die Verwendung einer Switched-Mode-Architektur hält den Wirkungsgrad in beiden Stufen trotz der erforderlichen hohen Ströme hoch genug, um praktikabel zu sein.

Diese Architektur mit schützenden Diagnosefunktionen und Software-Regelung ist nicht kosteneffizient als diskrete Lösung implementierbar. Um Kosten und auch den Platzbedarf zu minimieren, kann sie aber problemlos als IC mit einem Minimum an relativ preiswerten diskreten Komponenten implementiert werden. Bild 1 zeigt die Beschaltung einer typischen Anwendung des BD18312MUF-M. Die Auslegungsberechnungen zur Auswahl und Optimierung der Komponenten sind ausführlich im Datenblatt beschrieben, das bei ROHM Semiconductor angefordert werden kann.

Der proprietäre Produktionsprozess von ROHM gewährleistet ein robustes Verhalten mit hoher Zuverlässigkeit, wie sie für sogenannte Primär-Komponenten, die direkt über die Autobatterie versorgt werden, erforderlich sind. ROHM hat eine nachgewiesene Erfolgsbilanz bei der Lieferung von hochzuverlässigen, voll qualifizierten (nach AEC-Q100) ICs für den europäischen Markt. Der BD18312MUF-M ist jetzt in Musterstückzahlen verfügbar.

Der Boost-Regler und seine Funktionsweise

Der Boost-Wandler ist aufgrund der erforderlichen hohen Ströme ein asynchroner Regler, das heißt, er verwendet einen externen FET (Q_BST) und eine Flyback-Diode (D1). Der geringe Durchlasswiderstand R_DS(on) des FET ermöglicht einen hohen Wirkungsgrad und die externen Komponenten schützen den IC vor zu viel Wärme.

Bei Bedarf können die Boost-Stufe deaktiviert und die Buck-Kanäle direkt an V_BAT angeschlossen werden. Der Buck-Regelkreis kompensiert die Schwankungen von V_BAT. Alternativ nutzen mehrere ICs eine Boost-Stufe für die Ansteuerung ihrer Buck-Kanäle. Der Boost kann ebenfalls zur Versorgung weiterer Anwendungen verwendet werden.

Bild 2 zeigt das Blockdiagramm des Boost-Kanals. Der Boost-Regler ist ein Festfrequenz-Stromregler, der V_BOOST durch Abtasten des FB-Pins regelt. Ein externes RC-Netzwerk (R_CP und C_CP) wird verwendet, um den Regelkreis zu kompensieren und das Verhalten auf Last- und Leitungstransienten zu optimieren.

Der Überstrom im FET wird über einen externen Präzisionswiderstand (R_OC) erfasst und schaltet den externen FET ab. Der Stromschwellenwert ist programmierbar. Die Verwendung eines externen Widerstandes ermöglicht eine höhere Genauigkeit und reduziert die thermische Verlustleistung im IC weiter. Während des Einschaltens ist eine Softstart-Funktion implementiert, um einen Überstrom zu verhindern.

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