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Design eines Tagfahrlicht-Systems (1) – One-Fail-All-Fail-LED-Fehlererkennung

| Autor/ Redakteur: Chris Suchoski / Benjamin Kirchbeck

Was ist beim Design eines Design eines Tagfahrlicht-Systems zu beachten? Der erste Teil gibt einen Überblick über das Referenzdesign und erläutert, wie sich eine LED-Fehlererkennung nach dem One-Fail-All-Fail-Prinzip hinzufügen lässt.

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Das Tagfahrlicht ist das einzige Licht-Extra, welches auch nachgerüstet werden kann, alle anderen gibt es momentan noch nur ab Werk.
Das Tagfahrlicht ist das einzige Licht-Extra, welches auch nachgerüstet werden kann, alle anderen gibt es momentan noch nur ab Werk.
(Bild: Volvo )

Das Tagfahrlicht, das sich schon seit langer Zeit immer größer werdender Beliebtheit erfreut, ist mittlerweile in vielen Ländern vorgeschrieben. Da es, wie der Name schon sagt, am Tag eingeschaltet ist, muss es sehr hell sein. Als Designer hat man meist zwei Alternativen, die gewünschte Helligkeit der LEDs zu erreichen:

  • Erhöhung der LED-Anzahl pro String, sodass der LED-Treiber eine deutlich höhere Ausgangsspannung erzeugen muss
  • Verwendung zweier LED-Treiber, damit die Ausgangsspannung der Treiber niedriger gewählt werden kann

Das Referenzdesign im Überblick

Das Tagfahrlicht-Referenzdesign nutzt die in Bild 1 dargestellte Stromausgleichsschaltung und den LED-Controller TPS92692-Q1, mit dem sich über einen einzigen Konstantstrom-Ausgang parallele LED-Strings treiben lassen. Die Ströme in beiden LED-Strings sind dabei gleich hoch. Beachten Sie, dass der Referenz-String eine LED mehr aufweisen muss als der gespiegelte String, damit der MOSFET die richtige Vorspannung bekommt. In der Anleitung zum Referenzdesign ist die Funktionsweise der Stromausgleichsschaltung genauer beschrieben.

Bild 1: Stromausgleichsschaltung.
Bild 1: Stromausgleichsschaltung.
(Bild: TI )

One-Fail-All-Fail-LED-Fehlererkennung

Die Hauptaufgabe der One-Fail-All-Fail-LED-Fehlererkennung ist recht klar: kommt es in einer einzelnen LED des Referenz- oder Spiegel-Strings zu einem Kurzschluss oder zu einer Stromkreisunterbrechung, schalten sämtliche LEDs in beiden Strings ab. So einfach das Konzept auch sein mag, erfordert seine Implementierung doch durchaus einige Überlegung. In erster Linie stellen sich zwei Fragen:

  • Wie wird ein Fehler detektiert?
  • Wie lassen sich beim Auftreten eines Fehlers alle LEDs abschalten?

Wie lässt sich ein Fehler feststellen?

Auch wenn dies nicht unmittelbar ins Auge fällt, lässt sich ein Fehler durch Beobachten der Drain-Spannung des MOSFET erkennen. Man kann zwischen den folgenden vier Arten potenzieller Fehler unterscheiden:

  • LED-Kurzschluss im Spiegel-String
  • LED-Kurzschluss im Referenz-String
  • Stromkreisunterbrechung im Spiegel-String
  • Stromkreisunterbrechung im Referenz-String

Um zu verstehen, wie man diese Fehler detektiert, soll zunächst die Arbeitsweise der Schaltung unter regulären Bedingungen analysiert werden. Siehe dazu Bild 2.

Bild 2: Stromausgleichsschaltung unter normalen Bedingungen (Vf ist die Vorwärtsspannung einer LED).
Bild 2: Stromausgleichsschaltung unter normalen Bedingungen (Vf ist die Vorwärtsspannung einer LED).
(Bild: TI )

Da der Referenz-String eine LED mehr enthält als der Spiegel-String, während die Ströme (IRef und IMirror) gleich sind, lässt sich die Treiberspannung (VDriver) mit den Gleichungen 1 und 2 berechnen:

VDriver = (Zahl der LEDs im Referenz-String) × Vf + IRef × R0 (1)

VDriver = (Zahl der LEDs im Spiegel-String) × Vf + IMirror × (MOSFET-RDS(on) + R0) (2)

Als Nächstes kann VDrain mit den Gleichungen 3 und 4 ermittelt werden:

VDrain = VDriver – (Zahl der LEDs im Referenz-String) x Vf (3)

Zahl der LEDs im Spiegel-String = Zahl der LEDs im Referenz-String – 1 (4)

Mithilfe von Gleichung 1 und 2 erhält man diesen Ausdruck:

VDrain = IMirror × (MOSFET-RDS(on) + R0) = Vf + IMirror × R0 (5)

Nun lässt sich die Schaltung im Fehlerfall untersuchen.

LED-Kurzschluss im Spiegel-String

Wie Bild 3 verdeutlicht, enthält der Referenz-String zwei LEDs mehr als der Spiegel-String, wenn es in einer LED des Spiegel-Strings zu einem Kurzschluss kommt. Gleichung 6 definiert den neuen VDrain-Wert wie folgt:

VDrain = 2 × Vf + IMirror × R0 (6)

Bild 3: LED-Kurzschluss im Spiegel-String.
Bild 3: LED-Kurzschluss im Spiegel-String.
(Bild: TI )

LED-Kurzschluss im Referenz-String

Kommt es im Referenz-String zu einem LED-Kurzschluss, haben beide Strings effektiv die gleiche Anzahl LEDs. Folglich ergibt sich VDrain in diesem Fall gemäß Gleichung 7:

VDrain = IMirror × R0 (7)

Bild 4 illustriert den Fall eines LED-Kurzschlusses im Referenz-String.

Bild 4: LED-Kurzschluss im Referenz-String.
Bild 4: LED-Kurzschluss im Referenz-String.
(Bild: TI )

Stromkreisunterbrechung im Spiegel-String

Ist der Spiegel-String unterbrochen, fließt nur noch im Referenz-String ein Strom (siehe Bild 5). Der Operationsverstärker steuert den MOSFET im Spiegel-String so an, dass er vollständig eingeschaltet ist. VDrain beträgt dann laut Gleichung 8:

VDrain = 0 V (8)

Bild 5: Stromkreisunterbrechung im Spiegel-String.
Bild 5: Stromkreisunterbrechung im Spiegel-String.
(Bild: TI )

Stromkreisunterbrechung im Referenz-String

Sobald der Referenz-String unterbrochen ist, findet ein Stromfluss nur noch im Spiegel-String statt, und der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers wird auf Masse gezogen. Wegen der 0 V am nicht-invertierenden Eingang sollte der Operationsverstärker den MOSFET idealerweise abschalten. Infolge der Eingangs-Offsetspannung aber sättigt der Ausgang des MOSFETs entweder zur positiven oder zur negativen Versorgungsspannung. Bedingt durch parametrische Toleranzen des Operationsverstärkers variiert dieser Offset in der Regel in Ausmaß und Polarität, wobei die Polarität darüber entscheidet, zu welcher Spannung der Ausgang sättigt. Bild 6 stellt die Situation einer Stromkreisunterbrechung im Referenz-String dar.

Bild 6: Stromkreisunterbrechung im Referenz-String.
Bild 6: Stromkreisunterbrechung im Referenz-String.
(Bild: TI )

Eine negative Eingangs-Offsetspannung zeigt an, dass sich der invertierende Eingang des Operationsverstärkers auf einem höheren Potenzial befindet als der nicht-invertierende Eingang, wodurch der Ausgang zur negativen Versorgungsspannung sättigt und der MOSFET abgeschaltet wird. Der LED-Treiber wird jedoch seine Ausgangsspannung weiter erhöhen, um den Strom durch den Spiegel-String zu schicken. Weil aber der RDS(on) des MOSFET wie ein parallel zur Drain-Source-Strecke des MOSFET liegender Widerstand wirkt, kann ein geringer Strom fließen.

Dies wiederum bewirkt, dass die Drain-Spannung des MOSFET ansteigt, bis der LED-Treiber einen Überspannungs-Zustand auslöst. Laut Datenblatt des TPS92692-Q1 gibt der Baustein keinen Strom mehr ab, sobald die 0-V-Grenze erreicht ist. Der Softstart wird erneut getriggert, sobald die Ausgangsspannung um mehr als eine vorgegebene Hysterese fällt, woraufhin der Treiber erneut zu schalten beginnt. Dies sorgt dafür, dass VDrain zwischen ca. 60 V und 0 V oszilliert, wobei die Periodendauer die Summe aus der Zeitspanne, die die Spannung zum Abfallen unter die Hysterese benötigt, und der Softstartzeit ist.

Eine positive Eingangs-Offsetspannung deutet darauf hin, dass sich der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers auf einem höheren Potenzial befindet als der invertierende Eingang, sodass der Ausgang zur positiven Versorgungsspannung sättigt. Wenn der Referenz-String eine Stromkreisunterbrechung aufweist und der gesamte Strom durch den Spiegel-String fließt, ist jedoch die Spannung am invertierenden Eingang größer als die am nicht-invertierenden Eingang, weshalb der Operationsverstärker-Ausgang zur negativen Versorgungsspannung sättigen würde. Das Resultat sind hochfrequente Oszillationen am Ausgang des Verstärkers, sodass VDrain zwischen ca. 30 V und 0 V oszilliert.

Im zweiten Teil lesen Sie, wie auf einen detektierten Fehler reagiert wird.

* Chris Suchoski arbeitet als Analog Field Applications Engineer für Texas Instruments.

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