DE102013204916A1 - LED driver circuit for vehicle - Google Patents
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Abstract
Fahrzeug, umfassend ein elektrisches Bordnetz mit einer LED-Beleuchtungseinheit und mit einer Treiberschaltung zum Betreiben der LED-Beleuchtungseinheit, so, dass die Treiberschaltung eine LED-seitige Ausgangsspannung (Uout) aufweist, die Treiberschaltung eine bordnetzseitige Eingangsspannung (Uin) aufweist, und die Treiberschaltung im Wesentlichen als eine Tiefsetzschaltung ausgeführt ist.Vehicle, comprising an electrical vehicle electrical system with an LED lighting unit and with a driver circuit for operating the LED lighting unit, so that the driver circuit has an LED-side output voltage (Uout), the driver circuit has an on-board network side input voltage (Uin), and the driver circuit is essentially implemented as a bucking circuit.
Description
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, umfassend ein elektrisches Bordnetz mit einer LED-Beleuchtungseinheit und mit einer Treiberschaltung zum Betreiben der LED-Beleuchtungseinheit.The invention relates to a vehicle, comprising an electrical system with an LED lighting unit and with a driver circuit for operating the LED lighting unit.
In modernen Fahrzeugen werden häufig LEDs (light emitting diodes) als Beleuchtungsmittel eingesetzt. Mit LED-Beleuchtungseinheiten lassen sich sowohl statische als auch dynamische Lichtfunktionen für automotive Anwendungen nach dem Stand der Technik umsetzen.In modern vehicles LEDs (light emitting diodes) are often used as lighting means. With LED lighting units, both static and dynamic lighting functions for automotive applications can be implemented according to the state of the art.
Zum Betreiben einer LED-Beleuchtungseinheit werden Treiberschaltungen eingesetzt, die den für eine bestimmte Lichtfunktion nötigen Strom für die LEDs einstellt. Die Treiberschaltung wiederum wird vom elektrischen Bordnetz des Fahrzeugs gespeist bzw. ist Teil dieses Bordnetzes.For driving an LED lighting unit driver circuits are used, which sets the necessary for a specific lighting function current for the LEDs. The driver circuit in turn is powered by the electrical system of the vehicle or is part of this electrical system.
Als Treiberschaltungen stehen nach dem Stand der Technik hochsetz- und tiefsetzstellende Schaltungen zur Verfügung, wie z. B. ein Buck-Boost-Konverter oder ein SEPIC-Konverter. Dies geht zum Beispiel aus der Schrift
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fahrzeug, umfassend ein elektrisches Bordnetz mit einer LED-Beleuchtungseinheit und mit einer Treiberschaltung zum Betreiben der LED-Beleuchtungseinheit, zu beschreiben.It is an object of the invention to describe an improved vehicle comprising an electric vehicle electrical system with an LED lighting unit and with a driver circuit for operating the LED lighting unit.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by a vehicle according to claim 1. Advantageous embodiments and modifications of the invention will become apparent from the dependent claims.
Erfindungsgemäß weist die Treiberschaltung eine LED-seitige Ausgangsspannung und eine bordnetzseitige Eingangsspannung auf, wobei die Treiberschaltung im Wesentlichen als eine Tiefsetzschaltung ausgeführt ist.According to the invention, the driver circuit has an LED-side output voltage and an onboard supply voltage, wherein the driver circuit is designed essentially as a step-down circuit.
Dies bedeutet, dass die Treiberschaltung zwischen der LED-Beleuchtungseinheit und dem elektrischen Bordnetz des Fahrzeugs ausschließlich eine Abwärtswandlung (buck converting) der elektrischen Bordnetzspannung ermöglicht. Dies bedeutet, dass im Dauerbetrieb die Ausgangsspannung der Treiberschaltung die Eingangsspannung der Treiberschaltung unterschreitet. Die LED-seitige Ausgangsspannung der Treiberschaltung bezieht sich auf Spannung der Treiberschaltung auf der Spannungsseite der LED-Beleuchtungseinheit, welche eine oder mehrere LEDs umfassen kann.This means that the driver circuit between the LED lighting unit and the electrical system of the vehicle only allows a buck-converting of the electrical system voltage. This means that in continuous operation, the output voltage of the driver circuit falls below the input voltage of the driver circuit. The LED side output voltage of the driver circuit refers to voltage of the driver circuit on the voltage side of the LED lighting unit, which may include one or more LEDs.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Treiberschaltung einen 2-stufigen Schalter und ein Stromregelelement, welches den Schalter schaltet.According to a preferred embodiment of the invention, the driver circuit comprises a 2-stage switch and a current control element which switches the switch.
Das Schalten des Schalters durch das Stromregelelement erfolgt pulsweitenmoduliert, wobei als Regergröße für die Pulsweitenmodulation der Ausgangsstrom der Treiberschaltung, d. h. der Strom durch die LED-Beleuchtungseinheit dient. Dieser korreliert mit der Leuchtleistung (Helligkeit) der LED-Beleuchtungseinheit.The switching of the switch by the current control element is pulse width modulated, wherein as a control variable for the pulse width modulation of the output current of the driver circuit, d. H. the current through the LED lighting unit is used. This correlates with the luminous power (brightness) of the LED lighting unit.
Nach einer bevorzugten Variante der Erfindung umfasst die Treiberschaltung einen ersten Kondensator, welcher der LED-Beleuchtungseinheit parallel geschaltet ist, und eine erste Induktivität, welche zur LED-Beleuchtungseinheit in Reihe geschaltet ist.According to a preferred variant of the invention, the driver circuit comprises a first capacitor, which is connected in parallel with the LED illumination unit, and a first inductance, which is connected in series with the LED illumination unit.
Diese Schaltungsanordnung bildet in Kombination mit dem Schalter das Kernstück der tiefsetzstellenden Schaltung. Der Kondensator dient im Wesentlichen der Glättung der Ausgangsspannung und die Induktivität als Leistungsreservoir während der Ausschaltdauer des pulsweitenmodulierten Schaltens.This circuit, in combination with the switch forms the core of the Tiefsetzstellenden circuit. The capacitor essentially serves to smooth the output voltage and the inductance as a power reservoir during the turn-off of the pulse width modulated switching.
Außerdem ist es besonders vorteilhaft, wenn die Treiberschaltung einen zweiten Kondensator umfasst, welcher zu dem Stromregelelement parallel geschaltet ist und wenn die Treiberschaltung eine Schutzdiode umfasst, welche dem zweiten Kondensator vorgeschaltet ist.Moreover, it is particularly advantageous if the driver circuit comprises a second capacitor which is connected in parallel with the current regulating element and if the driver circuit comprises a protective diode, which is connected upstream of the second capacitor.
Gemäß dieser Ausführungsform ist gewährleistet, dass bei einem kurzzeitigen Spannungseinbruch im elektrischen Bordnetz des Fahrzeugs die Eingangsspannung an der Treiberschaltung durch die Spannung des zweiten Kondensators gestützt werden kann.According to this embodiment, it is ensured that, in the case of a brief voltage dip in the electrical system of the vehicle, the input voltage to the driver circuit can be supported by the voltage of the second capacitor.
Nach einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs eine Nennspannungslage aufweist, die bordnetzseitige Eingangsspannung in einem Bordnetzspannungsbereich liegt, und der Bordnetzspannungsbereich durch die Nennspannungslage gekennzeichnet ist.According to a particularly preferred variant of the invention, it is particularly advantageous if the vehicle electrical system of the vehicle has a nominal voltage position, the onboard supply voltage is in an on-board voltage range, and the vehicle electrical system voltage range is characterized by the nominal voltage position.
Bei einer Nennspannungslage von z. B. 48 Volt beträgt der Bordnetzspannungsbereich beispielsweise ca. 20 Volt bis 60 Volt. Der Bordnetzspannungsbereich wird auch als Betriebsspannungsbereich des Bordnetzes verstanden. Dies bedeutet, dass die Treiberschaltung auf den durch die Nennspannungslage gegebenen Betriebsspannungsbereich ausgelegt ist.At a nominal voltage of z. B. 48 volts of the vehicle electrical system voltage range, for example, about 20 volts to 60 volts. The on-board voltage range is also understood as operating voltage range of the electrical system. This means that the driver circuit is designed for the operating voltage range given by the rated voltage position.
Zweckmäßigerweise liegt die Nennspannungslage zwischen 24 Volt und 60 Volt. Die ausschließlich tiefsetzende Treiberschaltung für LEDs ist in dieser Bandbreite der Nennspannungslage aufgrund funktionaler Robustheit und kostengünstiger Umsetzbarkeit besonders vorteilhaft.Conveniently, the nominal voltage position is between 24 volts and 60 volts. The exclusively deep-set driver circuit for LEDs is within this bandwidth of the nominal voltage position due to functional robustness and cost feasibility particularly advantageous.
Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zum Betreiben von Leuchtdioden zur Darstellung verschiedener statischer und dynamischer Lichtfunktionen in Kraftfahrzeugen. Das Steuergerät hat Schnittstellen zum Fahrzeugbordnetz (elektrische Versorgung und Buskommunikation) und zu den Leuchtdioden, welches in einem Scheinwerfergehäuse verbaut ist.The invention is based on the following considerations:
The invention relates to an electronic circuit for operating light-emitting diodes for displaying various static and dynamic light functions in motor vehicles. The control unit has interfaces to the vehicle electrical system (electrical supply and bus communication) and to the light-emitting diodes, which is installed in a headlight housing.
Üblicherweise wird zum Betreiben von Leuchtdioden in einem Fahrzeugbordnetz mit 12 Volt Nennspannung als LED-Treiberschaltung eine Gleichstrom-Gleichstrom-Stromreglerschaltung (DC-DC-Schaltung) eingesetzt. Als Eingangsspannung für die DC-DC-Schaltung dient im Wesentlichen die Bordnetzspannung des Fahrzeugs, die starken Schwankungen zwischen etwa 6–18 Volt durch Verbraucher und einen Generator unterliegt. Auch die Ausgangsspannung der DC-DC-Schaltung weist aufgrund der angeforderten Lichtfunktionalität eine große Spannungsbandbreite von etwa 3–50 Volt auf.Usually, a DC-DC current regulator circuit (DC-DC circuit) is used to operate LEDs in a vehicle electrical system with 12 volt rated voltage as the LED driver circuit. As input voltage for the DC-DC circuit is essentially the vehicle electrical system voltage of the vehicle, which is subject to strong fluctuations between about 6-18 volts by consumers and a generator. Also, the output voltage of the DC-DC circuit has a large voltage bandwidth of about 3-50 volts due to the requested light functionality.
In Abhängigkeit der zu einem Betriebszeitpunkt angeforderten Ausgangsspannung und der zur Verfügung stehenden Eingangsspannung erfüllt die DC-DC-Schaltung eine tiefsetzstellende oder hochsetzstellende Funktion. Dies zwingt zum Einsatz bestimmter, dem Fachmann bekannter Schaltungstopologien wie z. B. einer SEPIC(single ended primary inductance converter)-Schaltung. Der elektrische Wirkungsgrad dieser Schaltungen ist meist deutlich kleiner als 90%, was einen Kühlaufwand der DC-DC-Schaltung und damit Nachteile in Baugröße und Gewicht mit sich bringt. Ferner ist die Flexibilität der möglichen LED-Strangspannungen, d. h. von mehreren in Reihe geschalteter LEDs, stark eingeschränkt.Depending on the output voltage requested at an operating time and the available input voltage, the DC-DC circuit fulfills a step-down or boosting function. This forces the use of certain known in the art circuit topologies such. B. a SEPIC (single-ended primary inductance converter) circuit. The electrical efficiency of these circuits is usually much smaller than 90%, which brings a cooling effort of the DC-DC circuit and thus disadvantages in size and weight with it. Furthermore, the flexibility of the possible LED string voltages, i. H. of several series connected LEDs, severely limited.
Vorgeschlagen wird, für eine LED-Treiberschaltung eine erhöhte Nennspannung, z. B. eine Spannungslage von 48 Volt, als Eingangsspannung in Kombination mit einer effizienten und in geschickter Weise spezifizierten Tiefsetzschaltung zu nutzen.It is proposed for an LED driver circuit, an increased nominal voltage, for. As a voltage of 48 volts to use as input voltage in combination with an efficient and cleverly specified Tiefsetzschaltung.
Im Vergleich zu einer SEPIC-Schaltung bei einer Nennspannung von 12 Volt als Eingangsspannung bietet die Tiefsetzschaltung bei einer Nennspannung von 48 Volt Vorteile im Hinblick auf die erzielbare Energieeffizienz.Compared to a SEPIC circuit with a rated voltage of 12 volts as the input voltage, the step-down circuit offers advantages in terms of the achievable energy efficiency at a rated voltage of 48 volts.
Die elektronische Schaltung ist Teil eines elektronischen Steuergeräts.The electronic circuit is part of an electronic control unit.
Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigt schematischHereinafter, a preferred embodiment of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. This results in further details, preferred embodiments and further developments of the invention. In detail shows schematically
Als Eingangsgröße dient eine bordnetzseitige Eingangsspannung (Uin), die gegen eine Masseverbindung der Schaltung (GND) an einem Eingang der Treiberschaltung abfällt. Bedingt durch den Typ des Bordnetzes liegt die Nennspannung des Bordnetzes (Unenn) bevorzugt zwischen 24 Volt und 60 Volt. In
Die Treiberschaltung umfasst ein Stromregelelement (IC), das in
Im Zustand „T1 geschlossen” wird ein Stromkreis über die LEDB durch einen Widerstand (R1), einen Induktivität (L1) und einen erste Kondensator (C1) geschlossen. L1 wird in diesem Zustand „geladen”, d. h. es wird eine Magnetfelddichte der Spule aufgebaut.In the "T1 closed" state, a circuit across the LEDB is closed by a resistor (R1), an inductor (L1) and a first capacitor (C1). L1 is "charged" in this state, i. H. It is built up a magnetic field density of the coil.
Im Zustand „T1 geöffnet” ist der durch die LEDB, C1, L1 und R1 gebildete Stromkreis gegen GND unterbrochen. Es „entlädt” sich jedoch L1 über die Diode D1, d. h. durch Induktion treibt L1 den LED-Strom nach dem Öffnen von T1 weiter an.In the state "T1 open", the circuit formed by the LEDB, C1, L1 and R1 is interrupted by GND. However, it "discharges" L1 over the diode D1, that is, by induction L1 continues to drive the LED current after opening T1.
Als Regelgröße dient der LED-Strom Iout. Über den Spannungsabfall an R1 ermittelt IC die Stromstärke von Iout, d. h. die physikalische Beobachtungsgröße ist der Spannungsabfall über dem Widerstand R1. IC schaltet T1 mit einer durch den IC vorgegebenen Frequenz (bei einer praktikablen Auslegung der Treiberschaltung im Bereich mehrerer hundert kHz) T1 ein. Der IC ermittelt anhand einer Vorgabe für Iout das erforderliche Tastverhältnis, d. h. die Einschaltdauer für T1 je Periodendauer (Periodendauer als inverse Größe zur Frequenz). Als eigentliche Stellgröße zur Einstellung einer Spannung Uout dient also die Einschaltdauer des pulsweitenmodulierten Schaltverfahrens. Als Reglertypen können einfache Regler z. B. PI-Regler oder Schwellenregler verwendet werden.The controlled current is the LED current Iout. IC uses the voltage drop at R1 to determine the current Iout, d. H. the physical observation quantity is the voltage drop across the resistor R1. IC switches T1 on with a frequency predetermined by the IC (with a practical design of the driver circuit in the range of several hundred kHz) T1. The IC determines the required duty cycle based on a default for Iout, i. H. the duty cycle for T1 per period (period as inverse to frequency). The actual manipulated variable for setting a voltage Uout is thus the duty cycle of the pulse-width-modulated switching method. As controller types simple controller z. As PI controller or threshold controller can be used.
Dabei glättet C1 den sich durch die Schaltvorgänge von T1 ergebenden Wechselstromanteil, damit der von der LED-Beleuchtungseinheit emittierte Photonenstrom weitgehend konstant ist.In this case, C1 smoothes the alternating current component resulting from the switching operations of T1, so that the photon current emitted by the LED illumination unit is largely constant.
Falls die Spannung Uin in Richtung kleinerer Spannung unter die zu stellende Spannung Uout fällt, schließt IC den Schalter T1 dauerhaft. Die maximal einstellbare Spannung Uout ist in einem solchen Betriebszustand also die Spannung Uin.If the voltage Uin falls below the voltage Uout to be set in the direction of lower voltage, IC closes the switch T1 permanently. The maximum adjustable voltage Uout is in such an operating state so the voltage Uin.
Die Treiberschaltungen gemäß
Eine nur tiefsetzstellende Schaltung ist energieeffizient und erfordert aufgrund weniger abzuführender Verlustleistung einen geringeren Aufwand an Kühlungsmaßnahmen. Ein elektronisches Steuergerät, in welches die Treiberschaltung integriert sein kann, kann also aufgrund des geringen Bedarfs an thermischer Anbindung kompakt und leicht ausgeführt werden.A low-setting circuit is energy-efficient and requires less cooling effort due to less dissipated power dissipation. An electronic control unit, in which the driver circuit can be integrated, can therefore be made compact and lightweight due to the low requirement for thermal connection.
Ferner reduziert die erhöhte Nenneingangsspannung von 24 Volt bis 60 Volt bei gleicher Ausgangsleistung den von der Treiberschaltung aufgenommenen Strom. Dies reduziert zusätzlich die ohmsche Verlustleistung der Treiberschaltung und leistet einen weiteren Beitrag zur Energieeffizienz der Schaltung. Es kann auch die physische Auslegung der Schaltung und des Bordnetzes aufgrund geringerer Ströme und überproportional geringerer Verlustleistung verbessert werden (z. B. durch die Nutzung von kleineren Leistungsquerschnitten).Furthermore, the increased nominal input voltage of 24 volts to 60 volts reduces the current consumed by the driver circuit while maintaining the same output power. This additionally reduces the ohmic power loss of the driver circuit and makes a further contribution to the energy efficiency of the circuit. It is also the physical design of the circuit and the electrical system due to lower currents and disproportionately lower power loss can be improved (eg., By using smaller power cross sections).
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