Infotainment

Controller für die LED-Hintergrundbeleuchtung im Auto

06.02.13 | Autor / Redakteur: Herbert Schwarz * / Thomas Kuther

Infotainment in Auto: die LED-Hintergrundbeleuchtung lässt sich am mit einem Mikrocontroller steuern
Infotainment in Auto: die LED-Hintergrundbeleuchtung lässt sich am mit einem Mikrocontroller steuern (Bild: Texas Instruments)

Im Auto finden sich immer mehr LEDs zur Hintergrundbeleuchtung von Displays. Die Ansteuerung dieser Leuchtdioden ist jedoch nicht trivial. Wir stellen Ihnen eine Mikrocontroller-gesteuerte Lösung vor.

Alle Automobile haben heute moderne Infotainment-Systeme, die zahlreiche Informationen zur Verfügung stellen: Ambiente-Beleuchtung, Radio, CD, TV, Navigation und das Car-Infotainment-System mit Sensor und Service-Informationen. Solche Displays sind mit modernen LED-Backlight ausgestattet, was gerade für den Automotive-Bereich enorme Vorteile bringt, denn LEDs sind in Sachen Stromaufnahme und Lichtausbeute sehr effizient und bieten zudem hohen Kontrast und hohe Farbgenauigkeit.

Darüber hinaus lassen sie sich über einen weiten Bereich regeln. Eine große Herausforderung besteht jedoch in der LED-Leistungs-Regelung mit dem Ziel, eine sehr lange Lebensdauer zu erreichen. Die LED-Stromaufnahme muss nicht nur reduziert, sondern auch geregelt werden, damit die gestellten Anforderungen an moderne LED-Backlights hinsichtlich Kontrast und Strom erfüllt werden können. Wenn die Lebensdauer nicht beeinträchtigt werden soll, darf die Leistung der LEDs niemals den zulässigen Grenzwert überschreiten. Die nachfolgend beschriebene Applikation erfüllt diese Anforderungen.

Mikrocontroller regelt Hintergrundbeleuchtung

Bild 1: der Mikrocontroller MSP430F6638 eignet sich für die Backlight-Display-Regelung
Bild 1: der Mikrocontroller MSP430F6638 eignet sich für die Backlight-Display-Regelung (Bild: Texas Instruments)

Die in Bild 1 dargestellte Schaltung überwacht und regelt die LED-Ströme der beiden LED-Treiber-Stufen 1 und 2. Zum Einsatz kommt der Mikrocontroller MSP430F6638, da sich dieser Baustein bestens für die Backlight-Display-Regelung eignet. Die Applikation ist darüber hinaus mit zwei gängigen LED-Aufwärtsreglern (Boost-Mode) bestückt. Während der erste LED-Treiberbaustein für die Hintergrundbeleuchtung des Infotainment-Panels zuständig ist, liefert der zweite Baustein den geregelten Strom für die Ambiente-Beleuchtung. Beide LED-Systeme werden vom Mikrocontroller gesteuert, überwacht und im Display angezeigt.

Darüber hinaus haben die Aufwärtsregler eine interne Schutzschaltung, um Leerlauf (Unterbrechung in der LED-Kette) und Kurzschluss zu meistern. Im Notfall verhindert die Schutzschaltung die Zerstörung von Bauteilen. Im MSP430F6638 bereits integriert sind leistungsfähige Anlogmodule wie ein Analog-Digital-Wandler (ADC) und ein Digital-Analog-Wandler (DAC) mit einer Auflösung von jeweils 12 Bit. Der Mikrocontroller arbeitet mit einer Betriebsspannung von 3 V und einer Taktfrequenz von 4 MHz. Nach dem Einschalten werden die Ports P4.0 und P4.1 in den High-Status gesetzt, sodass die LED-Treiber 1 und 2 aktiviert werden. Beide Aufwärtsregler arbeiten im Boost-Mode und werden aus dem Kfz-Bordnetz mit 12 bis 14 V versorgt.

Stabilisierte Versorgungsspannung für die LED-Treiber

Die LED-Treiberbausteine haben eine eigene Regelung zur Stabilisierung der Versorgungsspannung. In beiden LED-Ketten sind jeweils zwei Messwiderstände integriert, die zur Stromregelung herangezogen werden. Die an RX1 abfallende Spannung wird dem ADC (Kanal A0) über Port P6.0 des Mikrocontrollers zugeführt. Der LED-Treiber 1 nutzt die am Widerstand RX2 abfallende Spannung zur internen groben Stromregelung, wogegen der Spannungsabfall an RX1 zur präzisen externen Stromregelung dient.

Die meisten der angebotenen LED-Treiber können den Strom bestenfalls auf 2 bis 3% regeln. Um diesen Nachteil zu beheben, ist die zusätzliche externe Strommessfunktion implementiert, mit der sich die Regelgenauigkeit auf rund 0,5% verbessern lässt. Das integrierte ADC-Modul bietet eine Auflösung von 12 Bit und hat eine eigene, hochgenaue Referenzspannungsquelle. In der LED-Kette 1 fließt ein Konstantstrom von 350 mA. Um den LED-Strom entsprechend dem gemessenen Wert zu variieren, wird der vom LED-Strom verursachte Spannungsabfall an RX1 präzise vom ADC gemessen.

Zur Reduzierung des LED-Stroms muss die Spannung am IREF-Pin des LED-Treibers kleiner werden. Diese Spannungsänderung wird mithilfe des integrierten 12-Bit-DAC-Moduls des Mikrocontrollers vorgenommen. Port P6.6 (DAC0) ist dazu mit dem IREF-Anschluss des LED-Treibers 1 verbunden. Ist der an RRX1 gemessene Spannungsabfall größer als der vorgegebene Wert (URX1 = ILED RX1), so wird die Ausgangsspannung vom DAC0 verringert. Auf diese Weise reguliert die Ausgangsspannung des D/A-Wandlers den Strom in der externen LED-Kette.

Für beide LED-Treiberbausteine identische Stromüberwachung

Die externe und interne Stromüberwachung ist für beide LED-Treiberbausteine identisch. Nur die definierten LED-Kettenströme sind mit 350 bzw. 700 mA unterschiedlich. Außerdem werden für die zweite LED-Treiberstufe die Messwiderstände RRX3 und RRX4 zur Stromregelung verwendet. Dabei wird der Spannungsabfall an RRX3 mithilfe des ADC-Kanals A1 erfasst und der LED-Strom mit dem an Port P6.7 liegenden Ausgang von DAC1 eingestellt. Die Stromstärke der zweiten Kette ist auf 700 mA begrenzt. Die zweite LED-Kette besteht aus 15 Einzel-LEDs, damit genügend Licht für die Ambiente-Beleuchtung zur Verfügung steht. Die Kombination der Stromregelungen, die interne des Aufwärtsreglers und die externe (ADC/DAC) erhöhen die Genauigkeit um den Faktor 4 bis 5.

Kombination der Stromregelungen

Bild 2: der im Treiber implementierte Regelkreis
Bild 2: der im Treiber implementierte Regelkreis (Bild: Texas Instruments)

Als Beispiel ziehen wir die LED-Treiber-Stufe 1 heran. Der LED-Treiber 1 verwendet die an RX2 abfallenden Spannungen zum Stabilisieren des Ausgangsstroms. Der im Treiber implementierte Regelkreis ist in Bild 2 dargestellt. Zwei Verstärker sind für die Fehlerkorrektur zuständig. Während dem Verstärker A1 die an RX2 abfallende Spannung zugeführt wird, wird der Verstärker A2 vom Mikrocontroller über den IREF-Pin angesteuert. Die Anordnung der Messwiderstände geht aus Bild 1 hervor.

Präzise Stromregelung verlängert die Lebensdauer

Die hier realisierte Kombination erzielt eine wesentlich präzisere Stromregelung für LED-Ketten. Dank präziserer Stromregelung wird die Lebensdauer sowohl für das Infotainment als auch für die Ambiente-Beleuchtung erheblich verlängert. Die Applikation bietet neben der wichtigen Stromregelung und der Schutzschaltung auch ein eigenes Display, das die Systemströme SYS1 für das Infotainment Backlighting und SYS2 für das Ambiente Backlighting zeigt. Das LCD-Panel selbst wird per SPI vom Mikrocontroller via Port P8.x gesteuert.

* Herbert Schwarz ist Mitarbeiter der Lab Engineering Group bei Texas Instruments in Freising.

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Schon toll was es für unsere Technikverliebtheit alles gibt. Beachten einfacher ZUsammenhänge...  lesen
posted am 09.02.2013 um 16:53 von Unregistriert


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Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 37530420) | Fotos: Texas Instruments

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