Die Redaktion der HANSER automotive blickt auf die Geschehnisse im Bereich Kfz-Elektronik im März zurück.

Den leeren Tank zu füllen ist momentan ein kostspieliges Unterfangen.

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Was im März aus Automotive-Sicht wichtig war

Die Iseled Allianz begrüßt mit Hongbright, Intron Technology und Polycontact drei neue Mitglieder.

Mit dem Beitritt von Hongbright, Intron Technology und Polycontact umfasst die Iseled Allianz derzeit 42 Unternehmen.

16:9

Hongbright, Intron und Polycontact treten Iseled Allianz bei

NXP und Microchip haben mit Inova Semiconductors Technologievereinbarungen für die Verwendung des ILaS-Protokolls geschlossen.

NXP und Microchip lizensieren Inova Semiconductors ILaS-Technologie für intelligente Licht- und Sensornetzwerke in Automobilanwendungen.

NXP und Microchip lizensieren Inova Semiconductors ILaS-Technologie

Jede Technologie, jedes Produkt und jede Firmengründung beginnt mit einer Idee. Wie aus einer Idee ein erfolgreiches Unternehmen wie Inova Semiconductors entstand, erläutert Robert Kraus, Mitgründer und CEO, der uns einen Ausblick gibt, wie ISELED, ILaS und APIX weiterentwickelt werden.

Infotainment

Kfz-Systeme

»Wir haben uns  den Spirit und die  Neugierde eines Start-Ups erhalten«

Die ISELED Allianz begrüßt Analog Devices, Renesas und Simoldes als neue Mitglieder.

Messe electronica

hanser-automotive.de

Analog Devices, Renesas und Simoldes treten ISELED Allianz bei

Die Redaktion der HANSER automotive blickt auf die aus Automotive-Sicht relevanten Ereignisse des Monats November zurück.

Kooperationen bündeln Know-how und Ressourcen – sie sind der Schlüssel, um automatisiertes und elektrisches Fahren so effizient wie möglich umzusetzen.

✓ Kooperationen ✓ Elektromobilität ✓ Siliziumkarbid-Technologie ✓ Security

Safety / Security

Was im November aus Automotive-Sicht wichtig war

Damit die Sicherheit in Hochvolt-Bordnetzen nicht auf der Strecke bleibt, hat PFLITSCH für die Nutzfahrzeug-Industrie passgenaue EMV-Lösungen geschaffen.

blueglobe TRI für Anwendungen in der E-Mobilität

Ladesäulen / Ladekonzepte

Stromversorgung

Stromversorgung (Bordnetze)

Brennstoffzelle

OEM Supplier

PFLITSCH EMV-Kabelverschraubungen für die Elektromobilität

Diodes stellt eine Reihe Automotive-konformer synchroner Buck-/Abwärtswandler vor. Sie eignen sich für PoL-Anwendungen im Automotive-Bereich, darunter Antriebsstränge, Instrumentencluster, Telematik und Infotainmentsysteme.

3,8V-32V-Abwärtswandler für Automotive-PoL-Anwendungen

Infineon bringt die neuen EDT2 IGBTs im TO247PLUS-Gehäuse auf den Markt. Diese sind für diskrete Automotive-Traktionswechselrichter optimiert.

Die neuen EDT2 IGBTs im TO247PLUS-Gehäuse sind für diskrete Automotive-Traktionswechselrichter optimiert.

IGBTs für diskrete Traktionswechselrichter

STMicroelectronics erhöht den Integrationsgrad der Body-Elektronik im Kfz-Bereich mit seinem Door-Zone System-IC des Typs L99DZ200G.

IC für Kofferraumdeckel und Heckklappe

Wolfram Harnack, Präsident Rohm Semiconductor Europe erläutert im Gespräch mit HANSER automotive, wie der japanische Autobauer seine Produktionskapazität erhöhen will.

Wolfram Harnack ist Präsident bei Rohm Semiconductor Europe in Willich.

»Wir wollen die Produktionskapazität für SiC-Bauelemente bis März 2025 mehr als verfünffachen«

Das R-Car V4H System-on-Chip (SoC) von Renesas ist eine neue Lösung zur zentralen Datenverarbeitung in Fahrerassistenzsystemen (ADAS) und für autonomes Fahren (AD).

Die neue Plattform bietet eine hochmoderne Entwicklungsumgebung und ebnet den Weg zum Software-definierten Auto.

Fahrerassistenzsysteme / Automatisiertes Fahren

Lösung für automatisiertes Fahren auf Level 2+ / Level 3

Um die Herausforderungen zu bewältigen, die durch Entwicklung und Einsatz von Elektronik im Fahrzeug entstehen, müssen nicht nur Lösungen auf dem Chip für Test und Zuverlässigkeit gefunden werden, sondern auch für die Implementierung von Sicherheits-IP-Blöcken und die Auswertung von Chip-Daten.

Zukunftssicheres Konzept: Safety Island

Die Konsolidierung von Steuergeräten und die Entwicklung von Fahrzeug- hin zu Domain- und Zonal-Architekturen schreiten voran. Das macht die Integration von mehr Rechenleistung, Speicher und Netzwerkbandbreite nötig, um Software-definierte Fahrzeuge zu unterstützen.

Fahrzeugarchitekturen  weiterentwickeln

Robert Kraus, Mitgründer und CEO des Halbleiterherstellers Inova Semiconductors, gibt im Gespräch mit der HANSER automotive einen Ausblick auf die Weiterentwicklung von APIX und Iseled.

Robert Kraus ist CEO und Mitbegründer des Halbleiterherstellers Inova Semiconductors in München.

»Am Anfang jeder Innovation steht immer eine Idee«

Stromausgleich zwischen  LED-Strings optimieren

Kommen mehrere LED-Strings zum Einsatz, trägt die Current-Balancing-Schaltung dazu bei, dass in allen Strings der gleiche Strom fließt. Der folgende Artikel vergleicht die Leistungsfähigkeit dieser Schaltung mit einer Implementierung auf Basis von Operationsverstärkern.

Kommen mehrere LED-Strings zum Einsatz, trägt die Current-Balancing-Schaltung dazu bei, dass in allen Strings der gleiche Strom fließt. Allerdings weist sie Nachteile bei der Leistungsfähigkeit auf. Der folgende Artikel vergleicht die Leistungsfähigkeit dieser Schaltung mit einer Implementierung auf Basis von Operationsverstärkern.

Wenn in Kfz-Anwendungen mehrere LED-Strings zum Einsatz kommen, wie in Brems- oder Rückleuchten, sorgen Current-Balancing-Schaltungen dafür, dass in allen LED-Strings der gleiche Strom fließt. Unterschiede in der Helligkeit lassen sich so vermeiden. Für diesen Zweck ist die traditionelle Current-Balancing-Schaltung auf Basis diskreter Transistoren verbreitet. Sie hat den Vorteil, dass sie einfach ist und mit wenigen Bauelementen auskommt. Allerdings müssen dafür in Hinsicht auf die Leistungsfähigkeit Nachteile in Kauf genommen werden. Zum Beispiel können Unterschiede bei den Basis-Emitter-Spannungen (VBE) der Transistoren und den Vorwärtsspannungen der LEDs sowie temperaturbedingte Änderungen zu unterschiedlich hell leuchtenden LED-Strings führen.

In der in Bild 1 gezeigten Schaltung wird eine konstante Spannung (VS1) zusammen mit einem Widerstand (R1) und einem als Diode konfigurierten bipolaren NPN-Transistor (T1) zur Festlegung des Referenzstroms (IREF) benutzt. IREF wiederum wird über die Transistoren T2 und T3 als I1LED bzw. I2LED gespiegelt. Gleichung 1 gibt die Ströme in den Transistoren an. Im Idealfall sind IREF, I1LED und I2LED gleich:

IREF = VREF/R1 = VS1-VT1BE/R1 (1)

Die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T1 (VT1BE) kann bei gegebenem Strom erheblichen prozess- und temperaturbedingten Schwankungen unterliegen. In der vorliegenden Schaltung fließt der Strom durch drei Zweige, von denen nur zwei über LED-Strings führen. Der durch T1 fließende Strom, der mehrere Milliampere betragen kann, dient lediglich dazu, IREF festzulegen und verursacht somit Verluste, die unnötig sind.

Bild 2 zeigt als Alternative eine Current-Balancing-Schaltung auf Operationsverstärker-Basis. Die Referenzspannung (VREF) wird hier mit dem aus R1 und R1B gebildeten Spannungsteiler aus VS1 erzeugt, und die Stromregelung erfolgt durch Rückführung der an den Strommess-Widerständen R2 und R3 abfallenden Spannungen an die invertierenden Eingänge des Doppel-Operationsverstärkers LM2904B-Q1. Die Ströme in den Transistoren T2 und T3 errechnen sich wie folgt:

I1LED = I2LED = VREF/R2 = VS1/R2 × R1/(R1+R1B) (2)

Dabei sind R2 und R3 gleich. I1LED und I2LED hängen von den Widerstands-Toleranzen und den Temperaturdrift-Koeffizienten der Widerstände R1, R1B, R2 und R3 ab. Durch den Einsatz von Präzisionswiderständen lassen sich die Auswirkungen der Toleranz und der Temperaturdrift der Widerstände minimieren. Zudem wird so eine bessere Stromanpassung über prozess- und temperaturbedingte Änderungen erreicht als mit einer auf diskreten Transistoren beruhenden Lösung. Weil der Strom – anders als bei der Schaltung mit diskreten Transistoren – durch VREF bestimmt wird, lässt sich der durch R1 und R1B fließende Strom durch Anheben der Widerstandswerte reduzieren, wodurch auch die Verluste minimiert werden.

Als nächstes vergleicht man, wie sich Unstimmigkeiten zwischen den Eigenschaften der Bauelemente sowie Temperatur- und Stromversorgungs-Effekte bei den Schaltungsvarianten auswirken. Unterschiedliche Basis-Emitter-Spannungen der NPN-Transistoren können trotz gleicher Ströme entstehen, wenn

<ul><li> die Transistoren unterschiedlichen Fertigungslosen entstammen oder verschiedene Emitterflächen sowie Temperaturen aufweisen,</li><li> in der Leiterplatte an den Stellen, an denen sich die Transistoren befinden, mechanische Spannungen existieren oder</li><li> Unterschiede bei den Basiswiderständen oder Basisströmen der NPN-Transistoren bestehen.</li></ul>

Die Unterschiede bei den VBE-Werten wirken sich auf die in den einzelnen LED-Strings fließenden Ströme aus.

Die Basis-Emitter-Spannung eines bipolaren Transistors kann eine Temperaturdrift von bis zu –2 mV/°C aufweisen. Folglich kann eine 10 °C betragende Temperaturdifferenz zwischen zwei Transistoren eine um 20 mV abweichende Basis-Emitter-Spannung bewirken – zusätzlich zum anfänglichen VBE-Offset.

In Bild 3 ist eine aus diskreten Transistoren aufgebaute Current-Balancing-Schaltung mit zwei Strings zu jeweils fünf LEDs dargestellt. Die Versorgungsspannung (VS1) beträgt 12 V. Mit R1 und dem als Diode konfigurierten Transistor T1 wird IREF auf 20 mA bei Zimmertemperatur eingestellt. Die Spannungsquellen VF und VBE_OFFSET stehen für Unterschiede zwischen den Vorwärtsspannungen der LEDs sowie zwischen den VBE-Werten der Transistoren. Im Idealfall sind diese Spannungsquellen in der Schaltung nicht vorhanden.

In Bild 4 werden die Auswirkungen unterschiedlicher VBE-Werte bei T2 und T3 auf die Schaltung in Bild 3 deutlich. Verstellt man VBE_OFFSET von –25 bis +25 mV, so ändert sich I2LED von 31,5 auf 11,5 mA. Bei VBE_OFFSET = 0 V besteht eine bis zu 57,5 Prozent betragende Abweichung zwischen I1LED und I2LED vom Sollstrom von 20 mA. Wie Gleichung 1 verdeutlicht, hängt der LED-Strom von VT1BE ab. Jede VBE-Abweichung bewirkt daher einen Strom-Unterschied zwischen den LED-Strings, in den die anfänglichen Offsetfehler und temperaturbedingte Schwankungen eingehen.

Bild 5 zeigt die empfohlene Current-Balancing-Schaltung mit zwei Operationsverstärkern und zwei Strings aus je fünf LEDs. Die Werte der Bauelemente ergeben einen Strom von 20 mA in jedem Zweig. Um einen Vergleich zu ermöglichen, entsprechen die Variablen und Spannungsänderungen jenen, die auf die Schaltung aus Bild 3 angewandt wurden.

In Bild 6 ist zu erkennen, wie sich unterschiedliche VBE-Spannungen bei T2 und T3 auf die in Bild 5 gezeigte Schaltung auswirken. Verstellt man VBE_OFFSET von –25 bis +25 mV, so ändert sich der Strom I2LED von 19,92101 auf 19,921024 mA. Die 0,00004 Prozent betragende Abweichung zwischen I1LED und I2LED von einem Soll-Strom von 19,921017 mA bei einem VBE_OFFSET-Wert von 0 V stellt eine Verbesserung im Vergleich zur Schaltung auf Basis diskreter Transistoren dar. Der Grund für diese Fehlerreduzierung liegt darin, dass mit der Regelschleife des Operationsverstärkers für einen konstanten Spannungsabfall an den Strommess-Widerständen gesorgt wird, damit sich der gewünschte Strom von 20 mA einstellt.

Auswirkungen der Eigenerwärmung auf LED-Ströme

Temperaturunterschiede auf der Leiterplatte und lokale Eigenerwärmungen haben deutliche Auswirkungen auf die Current-Balancing-Schaltungen für die LEDs. Weil die Auswirkungen der Eigenerwärmung bei den in Simulationen verwendeten Modellen von diskreten Transistoren und LED-Schaltungen nicht berücksichtigt werden, kommt dieser Effekt in den Simulationen nicht zum Tragen. Eine durch unterschiedliche Distanzen zur Wärmequelle hervorgerufene Temperaturdifferenz zwischen den Transistoren T2 und T3 kann dazu führen, dass die VBE-Werte dieser Transistoren stark differieren. Dieser Unterschied bewirkt einen höheren Strom im wärmeren LED-String, was durch die höhere Verlustleistung die Temperatur weiter ansteigen lässt. Wird diese positive Rückkopplung nicht eingegrenzt, kann der gesamte Strom durch einen einzigen LED-String fließen, wodurch Transistor und LEDs zerstört werden. Wenn alle LED-Strings aus einer Quelle versorgt werden, ist deshalb die Eigenerwärmung beim Design unbedingt zu berücksichtigen. Die auf Operationsverstärkern basierende Schaltung ist immun gegen Eigenerwärmung durch ungleiche Ströme, weil die an R2 und R3 liegende Spannung auf einen konstanten Wert geregelt wird. Sollte die Eigenerwärmung eines Transistors zu einer Drift von VBE führen, passt die Regelung die Basisspannung des Transistors entsprechend an, sodass der Strom konstant bleibt. Natürlich weisen I2 und I3 eine gewisse Drift auf. Wenn die Offsetspannungs-Drift ein Problem darstellt, sollte u. U. auf einen driftärmeren Baustein umgestiegen werden.

Der IREF-Wert der Schaltung mit diskreten Transistoren und der VREF-Wert der Operationsverstärker-Schaltung sind von der Versorgungsspannung abhängig, sodass sich die Änderung der Versorgungsspannung hier proportional auf den Strom auswirkt. Bei beiden Varianten kommt es durch die Änderung der LED-Versorgungsspannung zu einer Änderung des LED-Stroms, jedoch ist die Änderungsrate bei der Operationsverstärker-Lösung geringer. Wenn sich die Versorgungsspannung stark verändert, tritt bei der Schaltung mit diskreten Transistoren die größte Abweichung vom ursprünglichen Strom auf. Die Verwendung einer externen Spannungsreferenz zum Festlegen von IREF in Bild 2 kann möglicherweise eine Spannungsreferenz mit höherem Ausgangsstrom erfordern, könnte dafür aber auch die Auswirkungen von Versorgungsspannungs-Änderungen reduzieren. Bei der Schaltung in Bild 4 wird VREF durch eine Last mit geringer Stromaufnahme festgelegt.

Prozessschwankungen, unterschiedliche Flächen oder Temperaturdifferenzen können dazu führen, dass die einzelnen LEDs verschiedene Vorwärtsspannungen aufweisen. Zusammengenommen haben diese Unterschiede zur Folge, dass auch die Vorwärtsspannungen der LED-Strings differieren. Um diesen Effekt zu quantifizieren, wurde simuliert, wie die auf diskreten Transistoren beruhenden Schaltung und Operationsverstärker-Schaltung reagieren, wenn die Vorwärtsspannung VF von –1 bis +1 V variiert wird. Hiermit wurde ein Unterschied der Vorwärtsspannungen von LED-String 1 und LED-String 2 emuliert. Wie sich dabei zeigte, variiert der LED-Strom bei der transistorbasierten Schaltung um 350 µA, während er bei der Operationsverstärker-Schaltung weitgehend konstant bleibt.

Der Vergleich der beiden Current-Balancing-Schaltungen für LED-Strings zeigte, wie sich Unterschiede zwischen den Bauteilen sowie Temperatur und Versorgungsspannung auswirken. Die Operationsverstärker-Schaltung kann prozess- und temperaturbedingte Änderungen von VBE ausgleichen. Zudem ist sie weniger empfindlich gegen unterschiedliche Versorgungsspannungen und LED-Vorwärtsspannungen. (eck)

Sanjeev Manandhar arbeitet als Systems Engineer bei Texas Instruments.

Texas Instruments Deutschland GmbH 

https://www.ti.com

Lesen Sie unter anderem in dieser Ausgabe:

<ul><li>Vehicle-in-the-Loop-Simulation für das automatisierte Fahren: Eine virtuelle Welt für selbstfahrende Automobile</li><li>Autonome Fahrfunktionen für öffentlichen Nahverkehr mit virtuellem Fahrversuch entwickeln: Minimierung des physischen Testaufwands</li><li>Schwerpunkt zu Lichttechnik</li><li>Schwerpunkt zu alternativen Antrieben</li></ul>

Ausgabenartikel

Bild 1: Vereinfachtes Schaltbild einer Current-Balancing-Schaltung auf  der Basis diskreter Transistoren

Bild 2: Die Current-Balancing-Schaltung auf Basis von Operationsverstärkern führt eine  high-seitige Spannung an einen Stromwandler, um die LEDs mit einem konstanten Strom  zu versorgen.  

Bild 3: Dieses Schaltbild verdeutlicht die Auswirkungen von VBE und VF in einer Schaltung auf der Basis diskreter Transistoren.

Bild 4: Auswirkungen unterschiedlicher VBE-Werte in der Schaltung mit diskreten Transistoren

Bild 5: Auswirkungen von VBE bei einer Schaltung auf Operationsverstärker-Basis

Bild 6: Auswirkungen von VBE-Differenzen bei der Schaltung auf Operationsverstärker-Basis

 Sanjeev Manandhar arbeitet  als Systems Engineer bei Texas  Instruments. 

Texas Instruments

ausgabe 06/2022

ausgabe 05/2022

ausgabe 04/2022

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