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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Das LED-Design und die Anforderungen im Automobil

Für die meisten Marktbereiche genügt, wie oben erwähnt, LEDs für eine konsistente Lichtabgabe gleichmäßig mit Strom zu versorgen. Im Automobil sind ungleich höhere Anforderungen, die sich in Industriestandards und Einkaufsspezifikationen widerspiegeln und Eigenschaften wie Widerstandsfähigkeit gegen Temperatur von -40 bis 85 °C, Feuchtigkeit, Spannungsschwankungen, aggressive Chemikalien sowie elektromagnetische Interferenzen sowie elektromagnetische Kompatibilität (EMC), Zuverlässigkeit und Ausfallschutz umfassen.

Die normale Betriebsspannung im Auto reicht von 9 bis 16 V, wobei normal 14 V sind, um die 12,6-V-Batterie bei großen Temperaturunterschieden zu laden. Extreme Bedingungen wie Verpolung bis -12 V, Starthilfebedingungen mit fortwährender doppelter Batteriespannung bei 24 V bis hin zu Störzuständen wie Lastabfall/Überspannung und anderen Einschwingspannungen müssen ebenfalls bewältigt werden.

Ein uneingespannter Lastabfall kann mehrere Hundert Millisekunden dauern und leicht 80 V übersteigen. Viele Hersteller haben Klemmspannungen für Lastabfall zentralisiert und fordern deshalb, dass Komponenten Einschwingspannungen in der Größenordnung von 60 oder 40 V widerstehen. Zu höheren Spannungsvorgaben kommt, dass Belastungen einen Spannungsabfall hervorrufen, der einen Schutz für den ungünstigsten Fall notwendig macht.

LEDs für das Automobil unterliegen strengen Härtetests

Hochverfügbarkeit in Automotive-Anwendungen ist indiziert durch den Bedarf an Schutzschaltkreisen gegen Überspannung, Kurzschluss und einer zu hohen Belastung. Hinzu kommen das richtige Verhalten bei einer zu geringen Spannungsversorgung und der drohenden Überhitzung einzelner Komponenten und dem gesamten System. Um den Vorgaben der Autobauer in puncto Lebensdauer und Garantieanforderungen zu entsprechen, die über 10 Jahre oder 150.000 km betragen können, wird die Haltbarkeit der ICs und LEDs in strengen Härtetests überprüft.

Je nach Strombedarf der LED kann es sinnvoll sein, die LED-Treiber mit integrierten oder externen Transistoren zu verwenden. Für die Integration der MOSFETs in den LED-Treiber-Baustein gibt es sowohl Vor- und Nachteile. Um die Komponentenanzahl auf dem Board und damit den Platzbedarf zu reduzieren kann es sinnvoll sein, interne Treiberstufen zu benutzen, da so außerdem auch gewährleistet ist, dass Transistor und Treiber optimal aufeinander abgestimmt sind. Wenn die Leistungsanforderungen jedoch sehr hoch sind, wie zum Beispiel beim Abblend- und Fernlicht, und HB-LEDs eingesetzt werden, ist es deutlich besser, eine externes Layout in Betracht zu ziehen, da so auch die Wärmeabfuhr wesentlich leichter gewährleistet werden kann.

Von Rohm werden speziell für Automobil drei Hauptbereiche unterschieden:

• Ein- und mehrkanalige Treiber für Hintergrundbeleuchtung

• Einfache Treiber für Schalter und einzelne parallele LEDs

• Komplexe Treiber für Exterior Lighting

Die Hintergrundbeleuchtung wird vorwiegend für mittlere und große Displays in Radio-Navigations-Systemen und dem zentralen Informationsdisplay benötigt. Das Portfolio umfasst LED-Treiber mit einem, zwei, drei oder vier Kanälen. Als Topologie wird ein Buck-Boost-System verwendet, das die Helligkeit ändert, um auf unterschiedliche Umgebungseinflüsse zu reagieren. Der dreikanalige BD81A33 kommt mit wenigen externen Komponenten aus und wird in einem High-Temperature SSOP28-Gehäuse geliefert.

Die Schaltfrequenz der Backlight-LED-Treiber kann bis zu 2,2 MHz betragen, um die Größe der externen Komponenten zu reduzieren und um die EMI-Einflüsse auf das AM-Band auszuschließen. Die maximale Versorgungsspannung beträgt je nach Treiber zwischen 4,5 und 40 V und der maximal zur Verfügung stehende Ausgansstrom pro Kanal bei 90 bis 400 mA.

Gegen EMI-Probleme mit Synchronisationsoption

Die maximale Anzahl an seriellen LEDs in jedem Strang hängt von der Vorwärtsspannung der Dioden und den eingestellten Werten der Schutzmechanismen ab. In der Regel können ungefähr 6 bis 7 LEDs in Serie betrieben werden, so dass bei drei Kanälen etwa 20 LEDs zur Ausleuchtung des Displays zur Verfügung stehen.

EMI-Probleme im Automobil vermeiden

Um EMI-Probleme zu vermeiden, was besonders in Autoradios wichtig ist, gibt es eine externe Synchronisationsoption. Die Selbstdiagnosefunktion hat zwei Ausgänge, Fail1 für den Under-Voltage-Lock-Out, den Thermal-Shutdown, sowie die Overvoltage- und Overcurrent-Protection. Der Ausgang Fail2 gibt hingegen an, ob in einem oder mehreren LED-Strings kurzgeschlossene oder offene LEDs erkannt werden konnten. So wird im Bedarfsfall der betroffene Kanal ausgeschaltet, um eine weitere Zerstörung von Teilen des Systems zu verhindern.

Voll integrierte Treiber mit seriellem Eingang und parallelem Ausgang sind Schieberegister, die für die Kontrolle von einzelnen, parallel angeordneten LEDs verwendet werden. Um naheliegende LEDs gleichhell erscheinen zu lassen, kann jeder Kanal einzeln und zusätzlich das gesamte System zusammen nach Bedarf gedimmt werden.

Treiber für Anzeigen in der Instrumententafel

Das Portfolio umfasst Treiber mit 8 und 12 Kanälen, wie den BD8105, den BD8115 und den BD8377. Speziell für den europäischen Markt wurde basierend auf dem BD8377 auch ein Baustein mit Diagnosefunktionen entwickelt. Alle Treiber eignen sich für Anzeigen in der Instrumententafel, also speziell für Cluster- und Mittelblock-Kontrolle wie zum Beispiel das Klimakontrollgerät. Die ICs benötigen nur wenige externe Komponenten, und garantieren so ein platzsparendes Design. Der BD8377 und BD8105 besitzen 12 parallele Ausgänge, der BD8115 hat acht Kanäle. Der maximale Ausgangsstrom beträgt 50 mA_DC und gepulst 150 mA für jeden Kanal.

Die Treiber-ICs lassen sich kaskadieren, so dass zwei oder mehr Bauteile in Serie betrieben werden können, wenn mehr als acht bis zwölf LEDs angesteuert werden sollen, ohne die Anzahl von I/O-Pins des Mikroprozessors zu erhöhen. Im SSOP-20-Gehäuse findet der Treiber mit seinen integrierten Transistoren Platz.

Integrierte Standard-Schutzmechanismen verhindern ein Überhitzen oder Strom- und Spannungsspitzen. Zusätzliche Diagnosefunktionen erkennen offene und kurzgeschlossenen LEDs, um einzelne Kanäle im Störungsfall ausschalten zu können, bis die Störung behoben ist und der entsprechende Kanal wieder vom Mikrokontroller freigeschaltet wird.

LED-Treiber für High Brightness LEDs

Der in einem HTSSOP28-Gehäuse untergebrachte BD8381 LED-Treiber steuert multiple HB-LEDs in den Frontscheinwerfern an, der BD8372 im HTSOP8-Package die Rücklichter. Beide Bausteine vertragen eine maximale Eingangsspannung von 50 V, um direkt an der Batterie betrieben werden zu können. Das Applikationsdiagramm zeigt die externe Beschaltung des BD8381. Die Transistorstufe ist hier extern gehalten, um dem Entwickler die Freiheit zu lassen, den Baustein für die verschiedenen Anwendungen mit unterschiedlichen Helligkeitsanforderungen zu verwenden. Egal ob Multichip- oder Singlechip-LEDs, beide Arten von Dioden werden unterstützt. Der integrierte PWM-Generator würde sogar einen Betrieb ohne Microcontroller erlauben.

* * Finn Lange ist Produkt Manager bei ROHM Semiconductor und betreut das Power Management, LED-Treiber, Memory und Audio.

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