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So designen Sie Fehlerdetektierungs-Schaltungen für Kfz-Beleuchtungssysteme

| Autor / Redakteur: Madison Eaker / Benjamin Kirchbeck

In Kfz-Beleuchtungssystemen werden immer mehr Fehlererkennungs-Schaltungen implementiert. Um den Platz- und Kostenaufwand für diese Schaltungen möglichst gering zu halten, gilt es mehrere Aspekte zu beachten.

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Der Zweck der Fehlerdetektierungs-Schaltung ist es, jegliche Fehler im Fahrtrichtungsanzeiger-Modul, die ein Aufleuchten der LEDs verhindern, zu melden.
Der Zweck der Fehlerdetektierungs-Schaltung ist es, jegliche Fehler im Fahrtrichtungsanzeiger-Modul, die ein Aufleuchten der LEDs verhindern, zu melden.
(Bild: Clipdealer )

Besonders in Kfz-Beleuchtungssystemen ist es von enormer Wichtigkeit, Anwender über Ausfälle im System zu informieren. Nehmen wir als Beispiel die Blinkleuchten am Heck eines Automobils, mit denen Autofahrer Abbiegevorgänge oder Fahrstreifenwechsel ankündigen. In wachsendem Umfang werden als Leuchtmittel hierfür LEDs eingesetzt, die von zweistufigen Treiberschaltungen angesteuert werden. Während ein Abwärts-Spannungsregler als erste Stufe fungiert, handelt es sich bei der zweiten Stufe um einen linearen Konstantstrom-LED-Treiber. Die Aufteilung in zwei Stufen hat den Vorteil höherer thermischer Effizienz.

Das LED-basierte Fahrtrichtungsanzeiger-Modul in Bild 1 umfasst eine typische Kfz-Batterie, einen Schalter, ein Eingangsfilter, einen Abwärtsregler und die LED-Treiber. Was passiert, wenn diese Funktion ausfällt? Wie wird man darüber informiert, und wie erfährt man, welcher Teil des Systems versagt hat?

Bild 1: Fahrtrichtungsanzeiger-Modul
Bild 1: Fahrtrichtungsanzeiger-Modul
(Bild: TI )

Der Abwärtsregler- und der LED-Treiber-IC sind zur Erkennung von Funktionsfehlern mit Diagnosefunktionen ausgestattet. Zum Beispiel meldet das Power-Good-Signal, ob der Ausgang eines Abwärtsreglers den Sollwert aufweist oder nicht. Konstantstrom-LED-Treiber wiederum geben ein FAULT-Signal aus, um Kurzschlüsse und Stromkreisunterbrechungen in den LEDs anzuzeigen. In diesem Artikel widme ich mich den Fehlerdetektierungs-Schaltungen von Heckleuchten und zeige, wie sich das Power-Good-Signal eines Abwärtsreglers und das FAULT-Signal eines LED-Treibers kombinieren lassen, um eine Fehlerdetektierungs-Schaltung zu realisieren.

Das Power-Good-Signal eines Abwärtswandlers

Der mit Power-Good bezeichnete Anschluss ist meist als ein Open-Drain-Ausgang ausgeführt, an den ein externer Pull-up-Widerstand angeschlossen werden muss. Dieser Ausgang hat im normalen Betrieb High-Status und wird auf Low gesetzt, wenn die Ausgangsspannung wegen einer zu geringen Eingangsspannung, nach einem Ansprechen des Überhitzungsschutzes oder aufgrund der Aktivierung des Shutdown-Modus zu niedrig ist.

Wie den Datenblättern zu entnehmen ist, muss an den Power-Good-Pin ein Pull-up-Widerstand mit dem jeweils empfohlenen Wert angeschlossen werden, um das Potenzial an diesem Anschluss zu erhöhen. Ist die Ausgangsspannung des Abwärtsreglers jedoch höher als die empfohlene Pull-up-Spannung, empfiehlt sich die Verwendung einer Z-Diode, um die Spannung auf einen niedrigeren Wert zu klemmen.

Das FAULT-Signal von LED-Treibern

Bei den linearen LED-Treibern von TI ist an den FAULT-Pin ein Open-Drain-Transistor mit einem kleinen internen Pull-up-Widerstand herausgeführt. Während der FAULT-Pin im regulären Betrieb High-Status hat, wird er auf Low-Status gesetzt, wenn es zu einem Kurzschluss oder einer Stromkreisunterbrechung in den LEDs kommt. Bei den Automotive-tauglichen LED-Treibern gibt es für den FAULT-Pin zwei Designoptionen:

  • One-Fail-All-Fail (OFAF): Beim Auftreten eines Fehlers in einem Baustein werden alle Bausteine abgeschaltet und es wird eine Fehlermeldung ausgelöst.
  • Disabled OFAF: Kommt es zu einem Fehler in einem Baustein, bleiben die übrigen in Betrieb und es wird eine Fehlermeldung ausgelöst.

Werden die FAULT-Pins von bis zu 15 Bausteinen miteinander verbunden, nutzt das System die OFAF-Option. In Bild 2 ist zu sehen, wie die Fault-Connector-Schaltung mit den FAULT-Pins der LED-Treiber verbunden ist. Der Zweck der Fault-Connector-Schaltung ist es, die Robustheit des FAULT-Signals zu steigern. Die Open-Drain-Konfiguration mit Pull-up-Widerstand wird gewählt, weil sie den Anschluss an externe Schaltungen erleichtert.

Bild 2: Fault-Connector-Schaltung
Bild 2: Fault-Connector-Schaltung
(Bild: TI )

Die Option „Disabled OFAF“ erfordert eine Fault-Aggregator-Schaltung, deren Verbindung mit den FAULT-Pins der LED-Treiber aus Bild 3 hervorgeht. Die Open-Drain-Konfiguration mit Pull-up-Widerstand wird genutzt, um den Ausgang im Fehlerfall auf Low-, im normalen Betrieb dagegen auf High-Status zu setzen.

Bild 3: Fault-Aggregator-Schaltung
Bild 3: Fault-Aggregator-Schaltung
(Bild: TI )

Die Fault-Aggregator-Schaltung ist als Pull-up-Schaltung für den FAULT-Pin ausgeführt. Zur Deaktivierung der OFAF-Funktion muss der FAULT-Anschluss zu allen Zeiten auf eine Spannung von mehr als 2 V gezogen werden. Der PNP-Transistor verwandelt den FAULT-Pin von einem Strom- in einen Spannungsausgang, und der Pull-up-Widerstand hält die Spannung an FAULT auf einem Wert über 2 V. Üblicherweise hat das FAULT-Signal unter normalen Umständen High-, im Fehlerfall dagegen Low-Status. Der Open-Drain-Ausgang mit Pull-up invertiert folglich die Logik der Fault-Aggregator-Schaltung so, dass der Ausgang OUT im Fehlerfall Low- und im Normalzustand High-Status aufweist. Der Open-Drain-Ausgang mit Pull-up kann entfallen, wenn der Ausgang OUT der Schaltung bei einem Fehler High- und im regulären Betrieb Low-Status haben soll.

Zum Signalisieren eines Fehlers zieht der LED-Treiber intern einen Strom, der durch den Pull-up-Widerstand R2 fließt. Der PNP-Transistor schaltet ein, sein Ausgang geht auf High- und der Ausgang OUT auf Low-Status. Liegt kein Fehler vor, zieht der LED-Treiber intern keinen Strom, sodass der PNP-Transistor abschaltet und sein Ausgang Low-Status annimmt. Der Ausgang OUT hat folglich High-Status. In beiden Fällen bleibt die Spannung am FAULT-Pin größer als 2 V.

Im Fall des Fahrtrichtungsanzeiger-Moduls sollte die Ausgangsspannung des Abwärtsreglers die Fault-Aggregator-Schaltung mit Strom versorgen, wobei die Ausgangsspannung mithilfe einer Z-Diode auf einen niedrigeren Wert geklemmt werden kann. Bei einem Ausfall des Abwärtsreglers bleibt die Stromversorgung der Fault-Aggregator-Schaltung aus und es wird ein Fehler gemeldet. Wie eine Fault-Aggregator-Schaltung konfiguriert werden kann, zeigt dieses Referenzdesign.

Nutzung des Power-Good-Signals zum Aktivieren eines LED-Treiber

Eine Möglichkeit, das Power-Good-Signal des Abwärtsreglers mit dem FAULT-Signal des LED-Treibers zu kombinieren, nutzt den Enable-Anschluss (EN) des LED-Treibers. Hat der EN-Pin High-Status, arbeitet der LED-Treiber normal. Mit einem Low-Status am EN-Pin wird der LED-Treiber dagegen in den Sleep-Modus mit extrem niedriger Ruhestromaufnahme versetzt. In Bild 4 ist zu sehen, wie der Power-Good-Anschluss mithilfe des Pull-up-Widerstands R4 und einer Z-Diode mit dem EN-Pin verbunden werden kann. Der Power-Good-Anschluss wird mithilfe von R4 auf die von der Z-Diode geklemmte Spannung gezogen.

Bild 4: Verbindung von Power Good mit EN-Pin
Bild 4: Verbindung von Power Good mit EN-Pin
(Bild: TI )

Indem man den Power-Good-Pin mit den EN-Pins der LED-Treiber verbindet, kann das Power-Good-Signal die LED-Treiber steuern. Im normalen Betrieb hat der Power-Good-Pin High-Status, sodass die LED-Treiber aktiviert sind. Kommt es jedoch zu einem Fehler im Abwärtsregler, wechselt der Power-Good-Pin in den Low-Status. Die LED-Treiber werden somit nicht aktiviert, die Fault-Aggregator-Schaltung wird nicht mit Strom versorgt und Out zeigt Low-Status, was einen Fehler signalisiert.

Die Fehleranalyse

Der Zweck der Fehlerdetektierungs-Schaltung ist es, jegliche Fehler im Fahrtrichtungsanzeiger-Modul, die ein Aufleuchten der LEDs verhindern, zu melden. Als Fehlerursache kommen eine unkorrekte Ausgangsspannung des Abwärtsreglers, ein unkorrekter Ausgangsstrom der LED-Treiber oder fehlerhafte LEDs in Frage. Bild 5 zeigt das Blockschaltbild des kompletten Fahrtrichtungsanzeiger-Moduls. Der Power-Good-Pin ist darin über den Pull-up-Widerstand R4 und eine Z-Diode mit den EN-Pins der LED-Treiber verbunden. Die Fault-Aggregator-Schaltung deaktiviert die OFAF-Funktion.

Bild 5: Deaktivierung der OFAF-Funktion mit Z-Diode und Fault Aggregator
Bild 5: Deaktivierung der OFAF-Funktion mit Z-Diode und Fault Aggregator
(Bild: TI )

Solange das System normal arbeitet, wird die Batteriespannung gefiltert und zur Versorgung der LED-Treiber herabgesetzt. Der Power-Good-Pin wird auf die von der Z-Diode geklemmte Spannung gezogen, hat damit High-Status und aktiviert die LED-Treiber. Die LEDs werden hierdurch eingeschaltet, wenn kein Kurzschluss und keine Leitungsunterbrechung festgestellt wird. FAULT hat somit Low-Status, ebenso wie die Fault-Aggregator-Schaltung, sodass am Ausgang kein Fehler signalisiert wird.

Jetzt soll der Fall betrachtet werden, dass die Ausgangsspannung des Abwärtsreglers außerhalb ihres Sollbereichs liegt, wodurch der Power-Good-Pin auf Low-Status wechselt. Die LED-Treiber werden hierdurch deaktiviert, und die LEDs werden abgeschaltet. Bei Deaktivierung der LED-Treiber wechselt das FAULT-Signal in den Low-Status. Die Fault-Aggregator-Schaltung wird nicht mehr von der Spannung aus der Z-Diode gespeist, und ihr Ausgang nimmt Low-Status an, was einen Fehler anzeigt.

Das Fahrtrichtungsanzeiger-Modul kann jedoch noch auf andere Weise ausfallen, zum Beispiel durch einen Kurzschluss oder eine Stromkreisunterbrechung in den LEDs oder eine überhitzungsbedingte Abschaltung des Treibers. Mit der Schaltung aus Bild 4 lassen sich diese verschiedenen Fehlerarten im Fahrtrichtungsanzeiger-Modul detektieren.

* Madison Eaker ist als Applications Engineer für Texas Instruments tätig.

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