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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft das Gebiet der Beleuchtung und der LED-Anwendungen wie etwa ein Lichtsteuermodul zum Ansteuern von LED-Modulen in Automobilen.
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HINTERGRUND
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Heutzutage haben Leuchtdioden („Light Emitting Diodes“; LEDs) Glühbirnen bei Automobilanwendungen (einschließlich Zwei- und Dreiräder) praktisch ersetzt. Sogenannte Lichtsteuermodule („Light Control Modules“; LCMs) dienen dazu, Nutzereingaben (z. B. über Mikroschalter) zu erkennen und Leistung an LED-Module, die zum Beispiel als Scheinwerfer, Rücklichter, Bremslichter, Blinker, Umgebungsbeleuchtung usw. eingesetzt werden, zu verteilen. Die Funktion eines LCMs kann auch in einem Karosseriesteuermodul („Body Control Module“; BCM), das im Vergleich zu einem LCM eine komplexere Funktionalität aufweisen kann, enthalten sein.
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Die LED-Module können von dem LCM entfernt angeordnet sein. Das heißt, einige LED-Module können über ein Kabel mit mehreren Metern Länge, das in der Verkehrsmittelkarosserie installiert ist, mit dem LCM verbunden sein. Eine solche Struktur (zentrales LCM / entfernt angeordnete LED-Module) kann anfällig für Störungen sein, insbesondere, wenn ein bestimmtes LED-Modul nur eine kleine Anzahl von in Reihe geschalteten LEDs enthält und daher eine Versorgungsspannung benötigt, die kleiner ist als die typische Batteriespannung (z. B. 13,8 Volt). Wenn das Kabel zwischen LCM und LED-Modul aus irgendeinem Grund mit der Batteriespannung kurzgeschlossen wird, kann das LED-Modul aufgrund eines Überstroms zerstört werden.
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In Anbetracht des oben genannten Problems besteht ein Bedarf an einem verbesserten Konzept zum Ansteuern von LED-Modulen mit LCMs, insbesondere bei Automobilanwendungen.
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ÜBERBLICK
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Hier wird ein Lichtsteuermodul (LCM) beschrieben. Gemäß einer Ausführungsform enthält das LCM Anschlüsse, die dazu ausgebildet sind, eine Versorgungsspannung zu empfangen, und einen Schaltwandler, der dazu ausgebildet ist, die Versorgungsspannung zu empfangen und an einem Ausgangsknoten eine Ausgangsspannung bereitzustellen, wobei die Ausgangsspannung und die Versorgungsspannung unterschiedliche Polaritäten aufweisen. Ferner enthält der LCM einen Ausgangsanschluss, der mit dem Ausgangsknoten des Schaltwandlers gekoppelt und dazu ausgebildet ist, einen Laststrom von einem LED-Modul aufzunehmen („to sink ... from“). Verschiedene Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung lässt sich unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen und Beschreibungen besser verstehen. Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; stattdessen wird der Schwerpunkt auf die Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung gelegt. Darüber hinaus bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugsziffern entsprechende Teile. In den Zeichnungen:
- 1 zeigt die Struktur eines herkömmlichen Automobil-Beleuchtungssystems, bei dem ein herkömmliches LCM Leistung an mehrere LED-Module verteilt.
- 2 zeigt, wie ein Kurzschluss zwischen der Batteriespannung und dem LED-Modul eine Beschädigung des LED-Moduls verursachen kann.
- 3 zeigt eine Ausführungsform eines alternativen LCM-Konzepts, das dazu beiträgt, LED-Module vor Kurzschlüssen mit der Batteriespannung zu schützen.
- 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, die als Weiterentwicklung des Beispiels von 3 angesehen werden kann.
- 5 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Ansteuern von LED-Modulen zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 zeigt eine typische Struktur eines herkömmlichen Kfz-Beleuchtungssystems, in dem ein herkömmliches LCM Leistung an mehrere LED-Module verteilt. Gemäß dem abgebildeten Beispiel wird das LCM 10 über einen Hauptschalter SW1 durch eine Autobatterie 5 (Batteriespannung VB) versorgt. Dementsprechend hat das LCM 10 keine Versorgung und alle Lichter sind aus, wenn der Hauptschalter SW1 aus ist.
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Das LCM 10 ist dazu ausgebildet, Nutzereingaben (üblicherweise vom Fahrer des Verkehrsmittels), die angeben, welche Lichter eingeschaltet werden sollen, zu empfangen. Zu diesem Zweck sind verschiedene Schalter SW2, SW3, SW4, SW5 und SW6 mit dem LCM 10, das dazu ausgebildet ist, den Schaltzustand der Schalter SW2, SW3, SW4, SW5 und SW6 zu ermitteln, verbunden. Dies kann auf viele verschiedene Arten erreicht werden. Bei dem vorliegenden Beispiel sind die Schalter SW2, SW3, SW4, SW5 und SW6 zwischen entsprechenden Digital-Eingängen des LCMs 10 und einem Versorgungsknoten SUP, der auf Batteriespannung VB liegt, wenn der Hauptschalter SW1 ein ist, angeschlossen. Das LCM 10 kann interne Pull-Down-Widerstände enthalten (in 1 nicht gezeigt), die zwischen den Digital-Eingängen und einem Masseknoten, der auf Massepotential (VGND, z. B. 0 Volt) liegt, angeschlossen sind. Der Spannungspegel an einem Digital-Eingang ist im Wesentlichen gleich der Batteriespannung VB, wenn der entsprechende Schalter ein ist, und liegt auf Massepotential, wenn der Schalter aus ist. Verschiedene Möglichkeiten, Digital-Eingänge zu gestalten, sind als solche bekannt und werden daher hier nicht weiter erörtert.
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Bei dem abgebildeten Beispiel kann der Schalter SW2 mit dem Bremspedal gekoppelt sein und verwendet werden, um die Bremslichter zu aktivieren/deaktivieren. Der Schalter SW3 kann die Rücklichter und (in 1 nicht gezeigt) die Tagfahrlichter aktivieren/deaktivieren. Der Schalter SW4 kann die Scheinwerfer aktivieren/deaktivieren und ermöglicht es, zwischen Aufblendlicht und Abblendlicht umzuschalten, während der Schalter SW5 (Überholschalter) das Aufblendlicht für die Zeit, für die er gedrückt wird, aktiviert (Lichthupe). Schließlich aktiviert/deaktiviert der Schalter SW6 die rechten oder linken Blinker. Abhängig vom spezifischen Design des Verkehrsmittels können weitere Schalter verwendet werden. Bei dem in 1 dargestellten Konzept müssen die Schalter entweder Mikroschalter sein, oder erfordern einen damit gekoppelten Ableitwiderstand (wenn herkömmliche Hochstromschalter verwendet werden, wie es beim Schalten von Glühbirnen üblicherweise der Fall ist), um ein zuverlässiges Schalten zu gewährleisten.
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Das LCM 10 enthält einen Schaltwandler, der üblicherweise definierte Ausgangsströme an die LED-Module liefert. Geeignete Schaltwandler mit mehreren Ausgängen sind als solche bekannt und werden daher hier nicht weiter erörtert. Ein bestimmtes LED-Modul wird mit Strom versorgt, wenn das LCM eine Nutzereingabe über den entsprechenden Schalter empfängt. In 1 ist ein LED-Modul durch eine einzelne Diode symbolisiert. Es versteht sich, dass ein LED-Modul in der Praxis mehrere in Reihe gekoppelte LEDs enthält. Bei dem abgebildeten Beispiel repräsentieren die LED-Module LED2A, LED2B und LED2C die Bremslichter (links, Mitte, rechts). Die LED-Module LED4A und LED4B repräsentieren die Abblendlichter und die LED-Module LED4C und LED4D repräsentieren die Aufblendlichter (links bzw. rechts). Die LED-Module LED4E und LED4F repräsentieren die Rücklichter, und die LED-Module LED6A, LED6B, LED6C, LED6D und LED6B repräsentieren die Blinker (links/rechts, vorne/hinten).
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Jedes LED-Modul ist zwischen einem jeweiligen Ausgang des LCMs 10 und dem Massepotential VGND angeschlossen, wobei die Masseanschlüsse der LED-Module in der Regel mit der Verkehrsmittelkarosserie, die auf Massepotential liegt, verbunden sind, so dass nur eine einzige Leitung zwischen dem LCM 10 und jedem LED-Modul erforderlich ist.
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2 zeigt Teile eines LCMs detaillierter, insbesondere den Schaltwandler (DC/DC-Wandler 11) und einen Controller 12, bei dem es sich um einen Mikrocontroller oder eine andere geeignete Steuerschaltung handeln kann. Um die Darstellung einfach zu halten, sind in 2 die Schalter weggelassen und nur ein LED-Modul ist gezeigt. Natürlich wird das LCM 10 bei einer praktischen Anwendung mehrere Ausgänge (Ausgangsanschlüsse, an die LED-Module angeschlossen werden können) haben, wie in 1 gezeigt. Die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers 11, die dem LED-Modul zugeführt wird, ist mit Vs bezeichnet, wobei Vs positiv und üblicherweise kleiner als die Batteriespannung VB ist (VB > VS). Der Ausgangsstrom iLED, der dem LED-Modul zugeführt wird, kann geregelt werden. Das heißt, die Spannung Vs wird so gesteuert, dass der Ausgangsstrom iLED den gewünschten (Soll-)Wert erreicht. Geeignete Controller und Stromsteuerungskonzepte für DC/DC-Wandler sind als solche bekannt und werden daher hier nicht weiter erörtert.
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2 zeigt auch ein typisches Fehlerszenario, nämlich einen Kurzschluss zwischen der Batteriespannung VB und der Leitung, die das LCM 10 und ein LED-Modul verbindet. Wie aus der Figur ersichtlich ist, sind die LEDs in dem LED-Modul nicht geschützt, und da die Batteriespannung VB deutlich höher sein kann als die durch den DC/DC-Wandler 11 bereitgestellte Spannung Vs, kann der durch die LEDs fließende Laststrom sehr hoch werden und das LED-Modul zerstören. Natürlich könnte in den LED-Modulen irgendeine Überstromschutzschaltung eingefügt werden, was die Komplexität und die Kosten der LED-Module erhöht. Im Folgenden wird ein neues Konzept für ein LCM, das hilft, das Problem von vornherein zu vermeiden, erörtert.
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3 zeigt ein Beispiel eines LCMs 10, das einen DC/DC-Wandler 11 enthält. Auch hier enthält die Figur nur die Komponenten, die für die folgende Erörterung notwendig sind. Dementsprechend wurde der Controller 12 in 3 weggelassen. Anders als bei den vorangehenden Beispielen enthält das LCM einen Schaltwandler 11, der dazu ausgebildet ist, die Versorgungsspannung VB (Batteriespannung) in eine negative Ausgangsspannung -Vo umzuwandeln. Dementsprechend haben die Ausgangsspannung -Vo und die Batteriespannung VB unterschiedliche Polaritäten. Die negative Ausgangsspannung -Vo wird an einen oder mehr Ausgangsanschlüsse angelegt, so dass diese die Lastströme von den an die jeweiligen Ausgangsanschlüsse angeschlossenen LED-Modulen aufnehmen können. Als anschauliches Beispiel enthält 3 das LED-Modul 2A (linkes Bremslicht, vgl. 1).
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Wie aus 3 hervorgeht, ist (sind) das (die) LED-Modul(e) mit umgekehrter Polarität (verglichen mit dem Beispiel von 2) zwischen dem LCM 10 und der Verkehrsmittelkarosserie (Massepotential) angeschlossen. 3 zeigt außerdem ein Kurzschluss zwischen der Batteriespannung VB und der Leitung, die das LCM 10 und das LED-Modul LED2A verbindet. Anders als bei dem vorangehenden Beispiel in 2 ist das LED-Modul LED2A geschützt, ohne dass eine Schaltung zum Überstromschutz erforderlich ist, nur weil das LED-Modul LED2A umgekehrt angeschlossen ist. Im Fall eines Kurzschlusses mit der Batterie fällt die Spannung VB über der Reihenschaltung der in dem LED-Modul enthaltenen LEDs ab, während die LEDs in Rückwärtsrichtung vorgespannt sind, sperren und der Laststrom gleich Null ist (abgesehen von einem vernachlässigbaren Leckstrom). Der Ausgang des DC/DC-Wandlers 11 kann gegen Überspannung und Überstrom geschützt werden. Ein Beispiel für einen Überstromschutz wird später unter Bezugnahme auf 4 erörtert.
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Das in 3 dargestellte Konzept erlaubt es auch, normale (Hochstrom-) Schalter (ohne Ableitwiderstände), die zwischen das LCM 10 und die jeweiligen LED-Module gekoppelt sind, anstelle von Mikroschaltern, wie bei dem Beispiel in 1 gezeigt, zu verwenden. Dadurch lässt sich die Komplexität des LCMs 10 verringern. In 3 ist der Schalter SW2 zwischen einem Ausgangsanschluss des LCMs 10 und dem LED-Modul LED2A angeschlossen. Wenn der Schalter SW2 geschlossen ist, nimmt der Ausgangsanschluss des LCMs 10 den Laststrom iLED des LED-Moduls LED2A auf. Der Controller in dem LCM 10 (in 3 nicht gezeigt, vgl. 2) muss sich nicht um Nutzereingaben und Schalter kümmern. Das hier beschriebene Konzept schließt jedoch die Verwendung einer Schalterkonfiguration, wie sie in 1 gezeigt ist, nicht aus. In diesem Fall ist der Schalter SW2 nicht zwischen dem LCM und dem LED-Modul angeschlossen, sondern mit dem LCM verbunden (sowie mit weiteren Schaltern, die anderen LED-Modulen und LCM-Ausgangskanälen zugeordnet sind), wie es in 1 der Fall ist.
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Bei dem Beispiel von 3 ist der DC/DC-Wandler 11 nicht stromgesteuert, sondem liefert eine konstante (negative) Ausgangsspannung -Vo. Ein Widerstand kann in Reihe zu den LEDs eines LED-Moduls geschaltet werden, wie etwa der Widerstand Rs in dem LED-Modul LED2A. Alternativ kann der Widerstand Rs auch in das LCM 10 integriert sein. Ein einfacher Vorwiderstand in dem LED-Modul zum Begrenzen des Laststroms iLED während des Normalbetriebs ist eine sehr kostengünstige Lösung. Wie erwähnt, sind die LEDs des LED-Moduls LED2A bei einem Kurzschluss-Szenario in Rückwärtsrichtung vorgespannt und sperren.
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4 zeigt ein weiteres Beispiel des LCMs 10. Gemäß dem abgebildeten Beispiel kann das LCM 10 (zumindest) einen Ausgangskanal, der einen geregelten Ausgangsstrom iLED liefert, und mehrere weitere Ausgangskanäle, die eine konstante Ausgangsspannung -Vo liefern, enthalten. Wie bei dem vorherigen Beispiel sind die Ausgangsanschlüsse des LCMs 10 dazu ausgebildet, die Lastströme der angeschlossenen LED-Module aufzunehmen. Der DC/DC-Wandler 11.1 erzeugt eine negative Ausgangsspannung -Vo und enthält einen Stromregler, um einen geregelten Laststrom des angeschlossenen LED-Moduls LED2A aufzunehmen, d. h., die Ausgangsspannung -Vo wird so geregelt, dass der von dem Ausgangsanschluss aufgenommene Laststrom iLED einen gewünschten Wert erreicht. Der DC/DC-Wandler 11.1 erzeugt die negative Ausgangsspannung für die anderen Ausgangskanäle.
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Bei dem Beispiel von 4 sind die Ausgangskanäle des LCMs 10 durch intelligente Schalter 13.1, 13.2, 13.3 geschützt. Diese Schalter können zum Beispiel Transistoren wie etwa MOSFETs oder dergleichen enthalten, deren Gate-Elektroden vorgespannt sind, um sie einzuschalten, wenn die DC/DC-Wandler 11.1 und 11.2 eine negative Ausgangsspannung ausgeben. Während des normalen Betriebs sind die intelligenten Schalter 13.1, 13.2, 13.3 also immer ein. Die intelligenten Schalter können jedoch auch Schutzmechanismen wie etwa einen Überstromschutz, einen Übertemperaturschutz, usw. enthalten. Geeignete intelligente Schalter sind kommerziell verfügbar (z. B. Low-Side-Leistungsschalter-ICs der Infineon HITFET-Serie) und werden daher hier nicht ausführlicher erörtert.
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Da der erste Kanal bei dem Beispiel von 4 eine Stromregelung bietet, muss das angeschlossene LED-Modul LED2A keinen Strombegrenzungswiderstand (vgl. Widerstand Rs in 3) enthalten. Ein Beispiel eines geeigneten DC/DC-Wandlers, der bei den Beispielen der 3 und 4 verwendet werden kann, ist ein invertierender Cuk-Wandler. Es versteht sich, dass abhängig von der jeweiligen Anwendung stattdessen auch eine andere Topologie eines invertierenden Schaltwandlers verwendet werden kann.
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Verschiedene Aspekte der hier beschriebenen Ausführungsformen sind im Folgenden zusammengefasst. Es versteht sich, dass das Folgende keine erschöpfende Aufzählung ist, sondern lediglich eine beispielhafte Zusammenfassung darstellt. Eine Ausführungsform betrifft ein Lichtsteuermodul (LCM). Das LCM enthält Anschlüsse, die dazu ausgebildet sind, eine Versorgungsspannung (z. B. von einer Autobatterie) zu empfangen, und einen Schaltwandler, der dazu ausgebildet ist, die Versorgungsspannung zu empfangen und eine Ausgangsspannung an einem Ausgangsknoten des Schaltwandlers zu erzeugen. Die Ausgangsspannung und die Versorgungsspannung haben unterschiedliche Polaritäten, d. h. die Ausgangsspannung ist negativ, während die Batteriespannung in Bezug auf das Massepotential positiv ist. Das LCM weist zumindest einen Ausgangsanschluss auf, der mit dem Ausgangsknoten des Schaltwandlers gekoppelt und dazu ausgebildet ist, während des Betriebs einen Laststrom von einem LED-Modul, das mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist, aufzunehmen.
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Bei einem Beispiel enthält das LCM einen intelligenten Schalter, der zwischen dem Ausgangsknoten des Schaltwandlers und dem Ausgangsanschluss angeschlossen ist. Der intelligente Schalter enthält einen Transistor, der dazu ausgebildet ist, einen Überstromschutz zu bieten. Der Schaltwandler ist ein invertierender Schaltwandler wie etwa ein invertierender Cuk-Wandler (siehe 4).
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Bei einigen Ausführungsformen kann die (negative) Ausgangsspannung konstant sein. In diesem Fall kann das LED-Modul einen Widerstand zur Strombegrenzung enthalten. Alternativ kann der Widerstand in dem LCM enthalten oder an einer anderen Stelle in dem Strompfad zwischen dem LCM und dem LED-Modul angeordnet sein. Bei anderen Ausführungsformen kann die (negative) Ausgangsspannung so eingestellt werden, dass der von den LED-Modulen aufgenommene Laststrom einen gewünschten Sollwert erreicht.
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Eine weitere Ausführungsform betrifft ein Automobil-Beleuchtungssystem, das das oben beschriebene Lichtsteuermodul sowie eine Autobatterie enthält, die dazu ausgebildet ist, die Versorgungsspannung für das Lichtsteuermodul bereitzustellen, und ein oder mehr LED-Module, die jeweils zumindest eine LED enthalten, wobei jedes LED-Modul zwischen einem jeweiligen Ausgangsanschluss des Lichtsteuermoduls und einem Masseanschluss, der üblicherweise mit der Karosserie des Automobils verbunden ist (aber nicht notwendigerweise sein muss), gekoppelt ist.
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Wie oben erwähnt, kann das (können die) LED-Modul(e) eine strombegrenzende Einrichtung (siehe zum Beispiel den Widerstand Rs in 3) enthalten. Das System kann außerdem einen Schalter, der zwischen einige oder jeden der Ausgangsanschlüsse des Lichtsteuermoduls und das LED-Modul gekoppelt ist (siehe bei dem Beispiel in 4, Schalter SW3), enthalten. Ein Ableitwiderstand oder ähnliches ist nicht erforderlich, um ein zuverlässiges Schalten zu gewährleisten.
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5 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zum Ansteuern von LED-Modulen durch ein Automobil-LCM zeigt. Dementsprechend beinhaltet das Verfahren das Empfangen - durch das LCM - einer Batteriespannung (siehe auch 3, Spannung VB) und das Bereitstellen - durch einen Schaltwandler des LCMs - einer Ausgangsspannung (siehe auch 3, Spannung -Vo) an einem Ausgangsknoten (5, Kasten S1). Die Ausgangsspannung und die Versorgungsspannung haben unterschiedliche Polaritäten, d. h. die Ausgangsspannung ist negativ, während die Batteriespannung in Bezug auf das Massepotential positiv ist. Das Verfahren beinhaltet weiterhin das Aufnehmen eines Laststroms von einem LED-Modul, das mit einem Ausgangsanschluss des LCMs verbunden ist, wobei der Ausgangsanschluss mit dem Ausgangsknoten des Schaltwandlers gekoppelt ist (5, Kasten S2).
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Das Verfahren kann weiterhin das Ein- und Ausschalten des LED-Moduls unter Verwendung eines Schalters, der zwischen das LED-Modul und das LCM gekoppelt ist, beinhalten. Ein Ableitwiderstand oder ähnliches ist für ein zuverlässiges Schalten nicht erforderlich. Die (negative) Ausgangsspannung kann eine Konstantspannung sein oder so geregelt werden, dass der aufgenommene Laststrom einen gewünschten Sollwert erreicht. Insbesondere im Fall einer konstanten Ausgangsspannung kann das LED-Modul einen Widerstand enthalten, der zu den LEDs des LED-Moduls in Reihe geschaltet ist, um den Laststrom des LED-Moduls zu begrenzen. Zusätzlich oder alternativ kann der Widerstand in dem LCM enthalten oder an einer anderen Stelle im Strompfad zwischen dem LED-Modul und dem LCM angeordnet sein. Ein Masseanschluss des LED-Moduls kann mit der Karosserie des Autos verbunden sein. Wie oben näher erläutert, ist das LED-Modul im Vergleich zu bekannten Konzepten umgekehrt angeschlossen und ist damit vor Kurzschlüssen mit der Batteriespannung geschützt.
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Obwohl die Erfindung in Bezug auf eine oder mehr Implementierungen veranschaulicht und beschrieben wurde, können Änderungen und/oder Modifikationen an den dargestellten Beispielen vorgenommen werden, ohne vom Gedanken und Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen. Insbesondere im Hinblick auf die verschiedenen Funktionen, die durch die oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Einheiten, Baugruppen, Einrichtungen, Schaltungen, Systeme usw.) ausgeführt werden, sollen die Begriffe (einschließlich eines Verweises auf ein „Mittel“), die verwendet werden, um solche Komponenten zu beschreiben - sofern nicht anders angegeben - jeder Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (d. h. die funktionell äquivalent ist), auch wenn sie strukturell nicht äquivalent zu der offengelegten Struktur ist, die die Funktion in den hier dargestellten beispielhaften Implementierungen der Erfindung ausführt.
