Power-LEDs im Autoscheinwerfer als Temperaturfühler leben länger

| Autor / Redakteur: Jörg Niggemeyer; Martin Royer * / Thomas Kuther

Boost- und Buck-Wandler im Autoscheinwerfer

Bei einem automobilen Frontlichtmodul wird ein Boost-Wandler mit mehreren Buck-Wandlern kombiniert. Eine relativ neue Treiberfamilie sind die digitalen Hysterese-Wandler ASL4500SHN und ASLx416SHN von NXP (siehe https://goo.gl/ht7i95).

Bild 2 zeigt die LED-Treiber von NXP in einer typischen Schaltung. Es wurde vereinfacht nur ein einphasiger Boostwandler und zwei Buck-Ausgangskanäle gezeichnet. Der Shunt zum Ausregeln des Stroms des Buckwandlers liegt "hoch" im Plus-Pfad der Versorgung. Dies begrenzt sicher bei möglichen Kurzschlüssen den Ausgangsstrom. LED-Kanäle können eine gemeinsame negative Leitung nutzen.

Die ICs werden über einen SPI-BUS konfiguriert, um z.B. die interne Boostspannung oder die LED-Stromstärken einzustellen. Für das Temperaturmessverfahren vorteilhaft sind die PWM-Port-Pins, die direkt ohne interne Zeitverzögerung die LED-Kanäle von einer externen MCU aus aktivieren bzw. deaktivieren können.

Wird eine Dimmung vorgenommen so bekommt man grob aufgelöst rechteckförmige LED-Stromsignale, die in einem Frequenzbereich von 100 Hz bis 1 kHz liegen. Je höher man die Frequenz wählt, desto weniger Flicker tritt dabei auf.

Bei gemessenem Stromverlauf mit zeitlich höherer Auflösung, sieht man deutlich den Brumm des Buck-Converters, der durch den Kondensator C1 geglättet wird. Dieser Kondensator glättet nicht nur den Brumm des Konverters, er verzögert auch den Anstieg und Abfall des Stromverlaufs der PWM-Dimmung: Bevor die LED durchschaltet, wird der Kondensator auf die LED Vorwärtsspannung geladen. Und bis die LED abschaltet, entlädt sich der Kondensator über die LED.

Der Entladevorgang des Kondensators wird zur Temperaturberechnung ausgenutzt. Die LED-Vorwärtsspannung wird wiederholt bei gleichen geringen Stromstärken von wenigen mA gemessen und Spannungsabfälle anderer Übergänge sind vernachlässigbar. Samples von Vfk werden mit einer gleichen Verzögerung zum Abschaltzeitpunkt gesammelt und ein Mittelwert zur Erhöhung der Auflösung des ADCs daraus gebildet. Die Junction-Temperatur wird dann aus der folgenden Formel berechnet:

Tj = Toffset – K . Vfk (1)

Dabei ist Toffset eine Offset-Temperaturkonstante [K]. Der Faktor K ist eine vom LED-Material abhängige Konstante [K/V]. Verringert sich die Vorwärtsspannung und damit auch Vfk wird weniger abgezogen, die errechnete Junction-Temperatur steigt dann also an.

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