LED im Fahrzeug: Von der Signalleuchte zum dynamischen Hecklicht

| Autor / Redakteur: Hans-Peter Kreuter und Volker Taggruber * / Hendrik Härter

Rücklicht: Dank ausgeklügelter Treiberschaltungen lassen sich mit der Heckleuchte nicht nur statisches Licht erzeugen, sondern auch dynamische Lichtszenen realisieren.
Rücklicht: Dank ausgeklügelter Treiberschaltungen lassen sich mit der Heckleuchte nicht nur statisches Licht erzeugen, sondern auch dynamische Lichtszenen realisieren. (Bild: © klorom - stock.adobe.com)

Aus einer einfachen LED-Heckleuchte wird eine komplexe LED-Leuchte, die zunehmend auch Funktionen wie eine Animation darstellen können muss. Damit steigen die Anforderungen an den LED-Treiber.

In den vergangenen Jahren entwickelten sich LEDs im Hecklicht zur Lösung erster Wahl, womit die Zahl der verbauten LEDs steigt und damit die Anforderungen an die Diagnosefähigkeiten der LED-Treiber. Hinzu kommen neue Funktionen für das Hecklicht: Lichtfunktionen wie ein wischender Blinker als dynamischer Fahrtrichtungsanzeiger oder die Begrüßung bzw. Verabschiedung des Autofahrers durch ein animiertes Hecklicht.

Für Entwickler sind neue Funktionen und die zunehmende Komplexität bei den LED-Autoleuchten immer verbunden mit neuen Anforderungen sowie steigenden Systemkosten, aber auch einer funktionierenden Diagnosefähigkeit. Bei künftigen LED-Anwendungen stehen deshalb neue Systemarchitekturen und Schnittstellen im Mittelpunkt. Bei der Anbindung des LED-Treibers für das Hecklicht unterscheidet man grundsätzlich zwei Systemarchitekturen. Zum einen kann das ein lokal dediziertes Lichtsteuergerät sein, das mit der Heckleuchte kommuniziert, oder ein zentrales Bordnetzsteuergerät, das die Heckleuchte direkt ansteuert. Der Automobilhersteller entscheidet über die zu implementierende Systemarchitektur.

Standard-LED-Heckleuchten direkt ansteuern

Bis heute wird millionenfach ein dezentrales Lichtsteuergerät genutzt, das den Kern der Hecklicht-Elektronik darstellt. Mit dieser Steuerungseinheit werden gängige LED-Hecklichtfunktionen betrieben. Das reicht von einer einzelnen Lichtfunktion, die mit LEDs ausgestattet ist, bis zu einer Voll-LED-Heckleuchte, die alle Hecklichtfunktionen wie Brems-, Schluss- und Blinkleuchte umfasst. Erweiterte Lichtfunktionen wie eine Animation können kostenoptimiert realisiert werden, wenn Entwickler die Kanalzahl der verwendeten LED-Treiber erhöhen und eine Kommunikationsschnittstelle verwenden, die den gestiegenen Anforderungen gerecht wird.

Als Beispiel für die aktuell am häufigsten verwendete Lösung bei LED-Heckleuchten zeigt das Bild 1 eine kombinierte Heck-/Bremsleuchte mit drei LITIX Basic+-Bausteinen des Herstellers Infineon. Dabei werden die LED-Treiber direkt mit der Versorgungsleitung über das Bordnetzsteuergerät angesteuert, um die jeweilige Lichtfunktion auszuführen. Mit dieser Anordnung ist es außerdem noch möglich, LEDs und Glühlampen gemischt einzusetzen. Doch Automobilhersteller fordern neben der Diagnose von Kurzschlüssen oder Unterbrechungen in der LED-Kette auch die Kurzschluss-Diagnose einzelner LEDs. Die LED-Treiberfamilie LITIX Basic+ wird den erweiterten Diagnosewünschen der Hersteller gerecht und hilft ihnen, zugleich Systemkosten zu senken.

Dynamische Heckleuchte und die Systemkosten

Mit dem Aufkommen von dynamischen Heckleuchten sind die Systemkosten kontinuierlich angestiegen. Vor allem die höhere Anzahl an LEDs, dynamische Lichteffekte sowie sequentiell anlaufende Fahrtrichtungsanzeige, animierte Willkommens-Anzeigen und adaptive witterungsbedingte Helligkeitsregelung treiben den Preis für die System-Leuchten nach oben. Nutzte man einst zur Ansteuerung der LEDs einfache Widerstandsschaltungen oder diskrete Stromquellen, sind es heute komplexe Systeme. Die LEDs werden gesteuert von mehreren Mikrocontrollern, LIN- oder CAN-Transceivern für die Anbindung zum Body Controller, lokalen Spannungsversorgungen und integrierten LED-Treibern (lineare Stromquellen wie LITIX Basic+ oder SPIDER+LED für geschaltene dynamische LED-Ansteuerungen über einen Serienwiderstand).

Das Bild 2 zeigt exemplarisch, wie eine dynamische Heckleuchte realisiert wurde und diese an den Body Controller (Body Control Module - BCM) angebunden ist. Ein High-Side-Schalter wie ein PROFET+2 BTS7040-2EPA versorgt über die vorhandenen Versorgungsleitungen das Modul der Heckleuchte mit der notwendigen Bordnetzspannung von 12 V. Aufgrund der integrierten Schutz- und Diagnosemechanismen eignet sich der verwendete Leistungsschalter besonders zum Leitungsschutz sowie zur Überwachung und Diagnose der Versorgungsleitungen, welche dank der Diagnose-Rückmeldung des PROFETs im Mikrocontroller (MCU) ausgewertet werden.

Spannungsversorgung und Ansteuerinformation

Neben der Versorgung benötigt eine Heckleuchte noch die Ansteuerungsinformation. Diese kann entweder durch direkte Steuerung mit 12-V-Signalen analog zur klassischen Glühlampe oder mittels eines seriellen Netzwerks oder Bus erfolgen. Dafür werden überwiegend LIN- oder CAN-Lösungen zur Kommunikation zwischen dem BCM und der Heckleuchteneinheit eingesetzt. Infineon bietet eine Vielzahl an Halbleiterlösungen für die Kommunikationsschnittstelle, angefangen von einfachen LIN-Transceivern, über schnelle CAN-FD-Transceiver bis zu voll-integrierten Lösungen innerhalb der SBC- (System-Basis-Chip-)Familien.

Die dynamische Heckleuchtenelektronik selbst kann aus mehreren Komponenten bestehen: Spannungsregler, Kommunikationsinterface zum BCM, MCU, LED-Treiber und den LEDs. Je nach Effizienzanforderungen, thermischen Randbedingungen und Anzahl der LED-Lasten nutzt man vermehrt Spannungsregler innerhalb der Heckleuchte, um die Verlustleistung am LED-Treiber bzw. Serienwiderstand zu reduzieren. Da moderne DC/DC-Controller bereits ein hervorragendes EMV-Verhalten aufweisen, eignen sich H-Brücken-Spannungsregler wie der TLD5190 oder Multitopologie-DC/DC-Controller wie der TLD5098 als effiziente Vorregler für die LED-Treiber.

Topologien zweier LED-Treiber

Bild 2: Blockdiagramm einer dynamsichen Heckleuchte.
Bild 2: Blockdiagramm einer dynamsichen Heckleuchte. (Bild: Infineon)

Im Bild 2 werden zwei unterschiedliche Topologien für LED-Treiber eingesetzt. Zum einen werden mit LITIX Basic+ Ein- bis Drei-Kanal Linearstromquellen eingesetzt, welche mit der flexiblen Single-LED-Short-Diagnose (TLD2331-3EP) gesetzlich erforderliche Anforderungen erfüllen und mit der Power-Shift-Funktion (TLD1114-1EP) zur verbesserten Verlustleistungsverteilung auf der Leiterplatte beitragen. Mit den Mehrkanalschaltern aus der SPIDER+-LED-Familie lassen sich bis zu acht LED-Stränge bei Strangströmen bis zu 320 mA dauerhaft schalten, ohne auf Schutzfunktionen und Lastdiagnosen zu verzichten.

Je nach Anbindung an das BCM befindet sich in der Heckleuchte eine Kommunikationsschnittstelle, die den lokalen Mikrocontroller mit dem BCM verbindet. Aufgrund der angepassten Ansteuer- und Diagnoseschnittstellen der LED-Treiber kann der MCU die dynamischen Sequenzen generieren und Diagnoserückmeldungen auswerten. Abhängig von der Anforderung des Automobilherstellers erfolgt die Diagnoserückmeldung der LED-Lasten entweder über die direkten Versorungsleitungen oder über die jeweilige Kommunikationsschnittstelle zum BCM.

Zukünftige Architektur für dynamische Heckleuchten

Bild 3: Blockdiagramm für eine zukünftige Heckleuchtenarchitektur.
Bild 3: Blockdiagramm für eine zukünftige Heckleuchtenarchitektur. (Bild: Infineon)

Die Zunahme der LEDs im Hecklicht als auch die erweiterten Lichtfunktionen wie Animation oder Begrüßungsfunktion erhöhen den Druck, weitere Systemkosten einzusparen. Ein wichtiger Schritt hierfür ist, die Kommunikation direkt mit dem Mikrocontroller aus dem BCM/ECU zu steuern. Die Anbindung der LED-Treiber an den Mikrocontroller kann grundsätzlich mit zwei Methoden erfolgen. Eine lokale Anbindung mit GPIOs, SPI oder I²C Interfaces, wie in Bild 2 dargestellt, oder eine Remote-Anbindung mit einer robusten Automotive-Schnittstelle zu einem entfernten Mikrocontroller, wie in Bild 3 gezeigt. In diesem Fall kommt der physikalischen Schnittstelle sowie dem Übertragungsprotokoll eine große Bedeutung zu.

Aktuell verfügbare Schnittstellen wie SPI oder I²C haben Einschränkungen bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit und Schwächen bei ESD-Robustheit; deshalb eignen sie sich nicht für eine Remote-Anbindung der LED-Treiber. LIN gilt als robustes und bewährtes Automotive Interface, ist aber aufgrund der Bandbreiten- und Synchronisationsanforderungen bezüglich Animationseffekten nicht als Schnittstelle für die Applikation der Heckleuchten geeignet. Flexray und Ethernet sind aufgrund der erhöhten Treiberkomplexität und Verkabelungsaufwänden aktuell unter den kommerziellen Randbedingungen nicht realisierbar. CAN hingegen erfüllt die erwähnten Anforderungen und ist eine geeignete physikalische Schnittstelle für die nächste Generation von intelligenten LED-Treibern. Abhängig von den Anforderungen des Automobilherstellers setzen die Leuchtenlieferanten entweder die CAN/CAN-FD- oder UARToverCAN-Schnittstelle ein.

Aktuell arbeiten die Ingenieure daran, einen optimierten Mehrkanaltreiber zu entwickeln, der sowohl weiter die Systemkosten reduziert, als auch die funktionalen Sicherheitsanforderungen gemäß ISO26262 erfüllt.

Die Evolution der Heckleuchte im Fahrzeug

Sie sorgen für Sicherheit auf den Straßen: die Heckleuchten. Für ein einheitliches Signalbild sorgen beispielsweise die ECE oder die FMVSS108. Doch eine Heck- oder Rückleuchte ist mehr. Sie ist Schlusslicht, Bremslicht und Fahrtrichtungsanzeiger. Hinzu kommt das Rückfahrtlicht beim Zurücksetzen oder das Nebelschlusslicht bei geringen Sichtweiten. Neben den technischen Aspekten und Sicherheitsfunktionen sind die Rückleuchten immer mehr ein Designelement.

Neben der LED werden auch OLEDs verbaut. Mit ihnen lassen sich leuchtende Flächen in die Heckleuchte implementieren. Doch egal ob LED oder OLED: es kommt immer auf den Treiberbaustein an. So lässt sich aus einer einfachen LED-Anwendung ein dynamisches Licht erzeugen. Mit zunehmenden Funktionen des Treibers sinken gleichzeitig die Systemkosten.

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Dieser Beitrag ist erschienen im Sonderheft LED- und OLED-Lichttechnik II der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF)

* Hans-Peter Kreuter ist Manager für Application Engineering Automotive LED Driver.

* Volker Taggruber ist Product Marketing Manager Automotive LED Driver. Beide arbeiten bei Infineon Technologies.

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