DE102010008275B4

DE102010008275B4 - Vorrichtung zur Energieversorgung von mehreren LED-Einheiten

Info

Publication number: DE102010008275B4
Application number: DE102010008275.9A
Authority: DE
Inventors: Christian Stöger
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2019-10-10
Anticipated expiration: 2030-02-18
Also published as: WO2011101368A2; US20130038210A1; CN102754527B; WO2011101368A3; US9468057B2; CN102754527A; DE102010008275A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Energieversorgung von mehreren LED-Einheiten (3), mit einem gemeinsamen, eine geregelte Ausgangsspannung abgebenden DC/DC-Konverter (4), an den mehrere Stränge (6), je mit einem Buck-Konverter (5) und einer damit verbundenen LED-Einheit (3), angeschlossen sind, und mit Mitteln (8) zum Regeln bzw. Einstellen der den LED-Einheiten (3) zuzuführenden Strang-Ströme (I), wobei die Mittel zum Regeln bzw. Einstellen der Strang-Ströme durch eine zentrale, gemeinsame Recheneinheit (10) gebildet sind, die Istwerte (7A) entsprechend den einzelnen Strang-Strömen (I) zugeführt erhält und mit entsprechenden Stelleingängen der jeweiligen Buck-Konverter (5) zum Anlegen von auf Basis der Istwerte berechneten Stellwerten (8A) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (10) ausgangsseitig weiters mit PWM-Schaltmitteln (9) der LEDs (2) verbunden ist und dazu eingerichtet ist, ein Dimmen der LEDs mittels PWM durchzuführen, und die Recheneinheit (10) eingerichtet ist, die Stellwerte (8A) auf Basis der PWM-Tastverhältnisse zu ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieversorgung von mehreren LED-Einheiten, mit einem gemeinsamen, eine geregelte Ausgangsspannung abgebenden DC/DC-Konverter, an den mehrere Stränge, je mit einem Buck-Konverter mit einer damit verbundenen LED-Einheit, angeschlossen sind, und mit Mitteln zum Regeln bzw. Einstellen der den LED-Einheiten zuzuführenden Strang-Ströme.
In neueren Beleuchtungseinrichtungen, insbesondere auch in Lichtanlagen von Kraftfahrzeugen, werden vermehrt Lichtemittierende Dioden (LEDs) eingesetzt. Derartige LED-Beleuchtungseinrichtungen haben viele Vorteile, wie etwa kleine Dimensionen, geringer Leistungsbedarf usw., sie benötigen jedoch im Unterschied zu herkömmlichen Leuchtmitteln einen bestimmten Strom, um einerseits eine gewisse Helligkeit zu erzielen, und um andererseits eine bestimmte Farbe abzustrahlen. Es ist daher bei LED-Beleuchtungsanlagen üblich, die Lichtfarbe über den Strom und die gewünschte Helligkeit über eine pulsweitenmodulierte (PWM)-Energieversorgung einzustellen. Hierfür sind in der Praxis entsprechende Steuergeräte, insbesondere mit Gleichstromwandlern (DC/DC-Konverter), bekannt, wobei von diesen DC/DC-Konvertern auch eine geregelte Ausgangsspannung abgegeben werden kann.
Vielfach ist es jedoch auch erwünscht, eine Vielzahl von LEDs, beispielsweise einzeln oder in Gruppen zusammengeschaltet, mit Energie zu versorgen und anzusteuern, wobei die LEDs auch von unterschiedlichem Typ sein können. Derartige Einzel-LEDs oder gruppenweise zusammengeschaltete LEDs werden hier allgemein als LED-Einheiten bezeichnet.
Wünschenswert ist im Fall von mehreren LED-Einheiten eine effiziente und kostengünstige Ansteuerung, wobei dann das Problem zu bewältigen ist, unterschiedliche Spannungswerte mit überlagerten Störungen, die beispielsweise in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs auftreten können, so auszuregeln, dass die LEDs kein flackerndes Licht erzeugen.
In der Praxis wird derzeit jeder LED oder jeder Gruppe von LEDs, also jeder LED-Einheit, ein eigener Regler vorgeschaltet, um die einzelnen Strang-Ströme für die jeweiligen LED-Einheiten zu regeln. Wenn nun beispielsweise fünf Stränge bzw. fünf LED-Einheiten vorgesehen sind, was im Zusammenhang mit Beleuchtungsanlagen für Kraftfahrzeuge ein gängiger Wert ist, dann ergibt sich die Notwendigkeit, auch fünf Regler für die einzelnen fünf Stränge bzw. LED-Einheiten vorzusehen. Andererseits werden Schwankungen und Störungen in der Versorgungsspannung (Bordnetz) üblicherweise über einen DC/DC-Konverter ausgeregelt, dessen Ausgangsspannung über seiner maximalen Ausgangsspannung liegt. Ein derartiger Konverter mit erhöhter Ausgangsspannung wird üblicherweise „Boost“-Konverter genannt, wogegen mit „Buck“-Konverter üblicherweise ein Abwärts-DC/DC-Konverter bezeichnet wird.
Die hierfür in der Praxis eingesetzten Boost-Konverter erreichen bei geeigneter Dimensionierung einen guten Wirkungsgrad. Ein Problem ist allerdings, dass bei einem gegebenen Strom, der durch mehrere LEDs fließt, aufgrund von Unterschieden in den LEDs unterschiedliche Spannungsabfälle an den LEDs gegeben sein können. Wie erwähnt ist der Strom durch die LEDs andererseits für die abzugebende Lichtfarbe von Bedeutung. Beispielsweise kann, wenn ein gleich großer Strom durch zwei in Serie geschaltete LEDs fließt, an jeder dieser beiden LEDs eine andere Spannung abfallen. Es ist daher notwendig, zumindest für jeden Strang, für jede LED-Einheit, einen gesonderten Strom vorzusehen.
Aus US 2008/0224636 A1 ist bereits eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt, bei der mehrere LED-Gruppen in Parallelschaltung vorliegen, denen ein gemeinsamer Kontroller als Recheneinheit zugeordnet ist, um mit den LED-Gruppen in Serie geschaltete Schalter je nach den durch die LED-Gruppen fließenden Strömen anzusteuern. Überdies wird dem Kontroller von einer Dimmer-Steuerung ein eigenes Dimmer-Signal zum - nicht näher erläuterten - Dimmen der LED's zugeführt.
Ein derartiges Dimmen ist auch beim LED-Stromversorgungssystem gemäß WO 2009/072058 A2 vorgesehen, wobei den einzelnen LED's PWM-Schalter zum Dimmen parallel geschaltet sind. Die entsprechenden Steuersignale werden ebenso wie die Schaltsignale für in Serie mit den LED's geschaltete Schalter von einem eigenen ASIC-Baustein zugeführt, wobei diesem für das Dimmen Vorgabe-Signale von einem Mikrokontroller zugeführt werden.
Auch in DE 10 2008 060 042 A1 ist im Zuge der Ansteuerung einer Beleuchtungseinheit mit LED's auf eine Pulsweitenmodulation (PWM) hingewiesen, wobei die Ein- und Ausschaltzeitpunkte der LED's einer Kette während einer PWM-Periode so berechnet werden, dass die Anzahl von gleichzeitig während der PWM-Periode angeschalteten LED's minimiert wird.
Aus der DE 40 13 477 A1 ist ein Gleichspannungswandler mit einem steuerbaren Schalter bekannt, wobei ein Mikroprozessor genutzt wird, der verhältnismäßig langsam ist, da das Korrigieren eines PWM-Tastverhältnisses einer PWM unabhängig und mit geringerer Aktualisierungsrate erfolgen kann als die eigentliche Schaltfrequenz der PWM.
Der Erfindung liegen nun die folgenden Überlegungen zugrunde:

1. Aufgrund von Kenndaten liegen die ungefähren Parameter betreffend LEDs vor, zumindest können diese Parameter rechnerisch ermittelt werden.
2. Der einzustellende Strom (Strang-Strom) für jede LED-Einheit ist bekannt.
3. Die LEDs können in Gruppen oder einzeln wie üblich über Pulsweitenmodulation (PWM) ein- und ausgeschaltet (gedimmt) werden.
4. Schließlich ist - was von besonderer Bedeutung ist - der Spannungsabfall an den LEDs nur aufgrund von thermischen Einflüssen veränderlich.

Es ergibt sich somit, dass die zumindest ungefähren Parameterwerte vorliegen oder berechnet werden können, und dass die Versorgungsspannung durch den vorgeschalteten Konverter fest ist; Veränderungen in der Regelung sind weiters nur thermisch beeinflusst, wobei sich relativ große Zeitkonstanten ergeben (die thermisch beeinflussten Veränderungen sind langsame Vorgänge). Demzufolge könnten sich aufwändige Regelungsmaßnahmen mit schnellen Reglern pro Strang bzw. LED-Einheit erübrigen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung wie eingangs angegeben vorzuschlagen, die eine Reduktion des Schaltungsaufwands ermöglicht und eine wesentliche Kosteneinsparung mit sich bringt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Vorrichtung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Regeln bzw. Einstellen der Strang-Ströme durch eine zentrale, gemeinsame Recheneinheit gebildet sind, die Istwerte entsprechend den einzelnen Strang-Strömen zugeführt erhält und mit entsprechenden Stelleingängen der jeweiligen Buck-Konverter zum Anlegen von auf Basis der Istwerte berechneten Stellwerten verbunden ist.
Bei der vorliegenden Vorrichtung wird somit die Ansteuerung der Buck-Konverter von einer Recheneinheit anstatt von gesonderten Reglern oder Regelungs-ICs durchgeführt, wie dies bisher als erforderlich angesehen wurde. Da nämlich lediglich thermische Vorgänge ausgeregelt werden müssen, genügt eine Regelzeitkonstante von beispielsweise von ungefähr 10 ms bis 100 ms. In der Folge lässt sich daher für viele Kanäle bzw. Stränge, z.B. auch für 16 Stränge bzw. LED-Einheiten, jeweils mit einem Buck-Konverter und dem eigentlichen LED-Strang (der LED-Einheit), eine Recheneinheit verwenden, die beispielsweise durch einen einzelnen Mikrokontroller kontrolliert wird. Es ergibt sich somit, dass bei der vorliegenden Vorrichtung an die geregelte Ausgangsspannung des DC/DC-Konverters für jeden Strang ein Buck-Konverter angeschlossen ist, dessen Stelleingang an eine gemeinsame, zentrale Recheneinheit anstatt an einen eigenen, gesonderten Regler angeschlossen ist. Die Recheneinheit kann dabei durch den im jeweiligen Steuergerät bereits vorhandenen Mikrokontroller oder Mikrocomputer realisiert sein, d.h. durch einen Ablauf in diesem Mikrokontroller des Steuergeräts gegeben sein. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Gerät mit beispielsweise fünf LED-Einheiten bzw. Strängen werden somit vier Reglerschaltungen bzw. Regel-ICs eingespart, und überdies ist die Realisierung der gemeinsamen Recheneinheit auch im Vergleich zu einem einzigen verbleibenden Regler kostengünstiger bzw. vorteilhafter.
Zur Herbeiführung der jeweiligen Istgrößen können geeignete Messschaltungen, wie Messwiderstände, Strom-Spannungs-Wandler und dergl., wie an sich bekannt, eingesetzt werden. Die Recheneinheit berechnet dann auf Basis dieser Strang-Strom-Istwerte sowie auf Basis von beispielsweise in Tabellen abgespeicherten Parameterdaten entsprechende Stellwerte für die jeweiligen Buck-Konverter.
Es ergibt sich weiters mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Recheneinheit in vorteilhafter Weise, dass diese Recheneinheit sowohl die vorbeschriebene Regel- oder eigentlich genauer Stellfunktion als auch das Dimmen der LEDs mittels PWM durchführen kann, wobei es der Recheneinheit auch möglich ist genau zu bestimmen, ob der jeweilige Buck-Konverter zum gegebenen Zeitpunkt tatsächlich arbeiten muss oder nicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist daher das Kennzeichen auf, dass die Recheneinheit ausgangsseitig weiters mit PWM-Schaltmitteln der LEDs verbunden ist.
Von Vorteil ist es hier weiters auch, dass die Recheneinheit eingerichtet ist, die Stellwerte auf Basis der PWM-Tastverhältnisse zu ermitteln. Wenn einzelne LEDs eines Strangs gedimmt werden, beispielsweise durch parallel geschaltete Transistoren oder andere Schaltelemente, die den Strom übernehmen, wenn eine LED abgeschaltet, d.h. kurzgeschlossen, werden soll, so lässt sich die Stellgröße des „Regelkreises“ auf diese Weise einfach berechnen, wobei auch der neue Arbeitspunkt sofort annähernd richtig zur Verfügung steht; es muss daher bei der vorliegenden Vorrichtung nicht ein Regler von weit weg angefahren werden. Auf diese Weise wird auch verhindert, dass im LED-Strang ein Überstrom auftritt, der möglicherweise LEDs beschädigen könnte.
Auch kann die Recheneinheit die Einschaltzeitpunkte der Buck-Konverter der verschiedenen LED-Stränge zeitlich so verteilen, dass eine möglichst gleichmäßige Belastung der geregelten Konverter-Ausgangsspannung erzielt wird. Demgemäß zeichnet sich eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch aus, dass die Recheneinheit eingerichtet ist, die einzelnen Buck-Konverter in einem Zeitmultiplex-Verfahren anzusteuern.
Es hat sich weiters als günstig erwiesen, wenn die Buck-Konverter versorgungsbezogen ausgeführt sind, wobei ein von der Recheneinheit angesteuerter Schalter jedes Buck-Konverters in Serie mit einer Diode in Sperrrichtung zwischen einer Energieversorgungsleitung und Masse liegt. Im Gegensatz zu einem massebezogenen Buck-Konverter, der einen versorgungsseitigen Schalter, z.B. Schalttransistor, aufweist, liegt bei einem versorgungsbezogen ausgeführten Buck-Konverter der Schalter nicht an der Versorgung, sondern an Masse, was technologische Vorteile mit sich bringt.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich hierbei, dass zur Erfassung des jeweiligen Strom-Istwerts nicht eine eigene Messschaltung erforderlich ist, sondern der Strom durch den im Konverter vorgesehenen Schalter selbst gemessen werden kann, da der Strom durch den Schalter gleich dem Strom durch den LED-Strang ist, wenn der Buck-Konverter durch die Recheneinheit angesteuert wird. Dieser Strom repräsentiert somit bei eingeschaltetem Schalter die Regelgröße. In der Folge werden nicht nur Bauteile eingespart, sondern es wird auch die Effizienz des Buck-Konverters erhöht. Demgemäß ist eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass zur Istwert-Erfassung der Strom durch den Schalter herangezogen wird, wobei vorzugsweise der von diesem Strom an einem in Reihe mit dem Schalter angeordneten Widerstand bewirkte Spannungsabfall gemessen wird.
Von Vorteil ist es hierbei erfindungsgemäß weiters, wenn der Strom-Istwert synchron mit einem jeweiligen Abschalten des Schalters ermittelt wird. Wenn nämlich synchron mit dem Abschaltzeitpunkt der Stromwert gemessen wird, kann der Bauteilaufwand weiter reduziert und abgesehen von den geringeren Kosten und dem geringeren Platzbedarf vor allem auch die Toleranzkette verringert werden, wodurch auch die Genauigkeit der Messung erhöht wird. Von besonderem Vorteil erweist sich dabei, dass beim versorgungsbezogenen Buck-Konverter der Messwiderstand (Shunt) masseseitig vorliegt, weshalb sein Spannungsabfall direkt an einen A/D-Eingang der Recheneinheit angelegt werden kann.
Es hat sich auch als günstig erwiesen, wenn der DC/DC-Konverter in ein von den Buck-Konvertern mit den LED-Einheiten gesondertes, entferntes Gerät ausgelagert ist. Bei einer derartigen Ausführung kann die geregelte Spannung bzw. die Stromregelung von Mitteln bewerkstelligt werden, die gesondert angeordnet sind, so dass die in diesen Mitteln auftretende Verlustleistung nicht dort anfällt, wo die Ansteuerung der LED-Beleuchtung selbst erfolgt. Insbesondere in Kraftfahrzeugen liegen dort nämlich unwirtliche Umweltbedingungen vor, wie z.B. eine große Wärme zufolge des Motors. Gerade dann ist es von Vorteil, wenn das direkt der LED-Beleuchtung zugeordnete Steuergerät selbst nur noch wenig Wärme erzeugt, weil z.B. der Konverter (Boost-Konverter) in ein entferntes Gerät ausgelagert ist.
Schließlich zeichnet sich eine vorteilhafte Ausführungsform auch dadurch aus, dass zumindest eine LED-Einheit eine Strangspannung, bei Betriebsstrom, aufweist, die im Bereich der minimalen Eingangsspannung des DC/DC-Konverters oder darunter liegt, wodurch bei Ausfall des DC/DC-Konverters eine Notbeleuchtung realisiert ist. Wenn also zumindest ein LED-Strang eine Strangspannung bei erforderlichem Strom aufweist, die im Bereich der Mindest-Eingangsspannung des Spannungswandlers oder darunter liegt, dann ist bei Ausfall dieses Spannungswandlers die Notbeleuchtung realisierbar, da dann am Ausgang des Wandlers, d.h. Konverters, aufgrund der Wandlertopologie ungefähr die Eingangsspannung anliegt.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. In der Zeichnung zeigen im Einzelnen:

1 - schematisch den grundsätzlichen Aufbau einer Vorrichtung zur Energieversorgung von LEDs, mit einem Gleichspannungswandler (Boost-Konverter) und - beispielhaft - einem Buck-Konverter;
2 - ein etwas detaillierteres Schaltbild eines Buck-Konverters und einer daran angeschlossenen LED-Einheit, beispielhaft hier mit zwei in Serie geschalteten LEDs, denen jeweils ein parallel geschalteter Schalter in Form eines Feldeffekttransistors zwecks Dimmen mittels PWM zugeordnet ist;
3 - schematisch einen Teil einer Vorrichtung zur LED-Energieversorgung, wie im Prinzip in 1 dargestellt, nun jedoch mit mehreren Strängen bzw. LED-Einheiten und einer gemeinsamen Recheneinheit, jedoch ohne den eingangsseitigen DC/DC-Konverter;
4 - ein Detailschaltbild eines massebezogen ausgeführten Buck-Konverters mit anschließender eigener Messschaltung sowie einer LED-Einheit;
5 - als Alternative zu 4 eine Ausführungsform mit einem versorgungsbezogen ausgeführten Buck-Konverter samt angeschlossener LED-Einheit; und
6 - ein zugehöriges Strom- bzw. Spannungsdiagramm, wobei mit gestrichelten Linien ein zeitversetztes Ein-/Ausschalten eines anderen Strangs angedeutet ist.

In 1 ist ganz schematisch ein grundsätzlicher Aufbau einer Vorrichtung 1 zur Energieversorgung von LEDs veranschaulicht, wobei in 1 nur beispielhaft und schematisch eine LED 2 in einer einzelnen LED-Einheit 3 gezeigt ist. Die Vorrichtung 1 enthält einen DC/DC-Konverter 4, nachstehend auch Gleichspannungswandler genannt, wobei dieser DC/DC-Konverter 4 als sog. Boost-Konverter ausgeführt ist, d.h. seine Ausgangsspannung Uout liegt über seiner Eingangsspannung Uin. Im Fall einer LED-Lichtanlage für ein Kraftfahrzeug ist die Eingangsspannung Uin die Bordnetzspannung, die beispielsweise zwischen 9V und 16V betragen kann.
Die Ausgangsspannung Uout des Boost-Konverters 4 wird einem weiteren Konverter, einem sog. Buck-Konverter 5, zugeführt, der seinerseits die LED-Einheit 3 ansteuert. Dabei wird der LED-Einheit 3 ein geregelter Strom I₃ zugeführt. Diese Stromregelung ist deshalb von Bedeutung, da über den Strom die Lichtfarbe der jeweiligen LED 2 eingestellt wird. Demgemäß ist bei mehreren LED-Einheiten 3 (vgl. 3) für jede LED-Einheit 3 eine eigene Stromregelung und damit ein eigener Buck-Konverter 5 vorzusehen. In 1 ist der Einfachheit halber wie erwähnt nur eine einzige LED-Einheit 3 mit zugehörigem Buck-Konverter 5 gezeigt.
Aus 2 ergibt sich mehr im Detail eine beispielhafte Schaltung eines Buck-Konverters 5 zusammen mit einer LED-Einheit 3 unter Bildung eines Strangs oder Kanals 6, vgl. hierzu auch die Darstellung in 3, wo mehrere derartige Stränge oder Kanäle 6, jeweils mit einem Buck-Konverter 5 und einer LED-Einheit 3 sowie weiters einer Messschaltung 7, veranschaulicht sind.
Eine derartige Messschaltung 7 ist auch in 2 gezeigt, und diese Messschaltung 7 dient zur Erfassung des Strom-Istwerts I₃ , wobei eine entsprechende Istwert-Größe in an sich herkömmlicher Weise an Mittel 8 zum Regeln bzw. Einstellen der Strang-Ströme I₃ , nachstehend kurz Regeleinheit 8 genannt, mit einem geeigneten A/D-Eingang 7', angelegt wird, wie in 2 bei 7A angedeutet ist. Ein entsprechender Stellwert 8A wird dann dem Buck-Konverter 5 zur Stromregelung zugeführt.
Dieser Buck-Konverter 5 erhält andererseits die geregelte Ausgangsspannung Uout des in 2 nicht näher dargestellten Boost-Konverters 4 (s. 1) zugeführt.
In 2 sind der Buck-Konverter 5, die Messschaltung 7 und die Regeleinheit 8 in einer Konverterschaltung 5', in einem Block, zusammengefasst, und es ist schematisch bei 5'.i ebenso wie bei 3.i angedeutet, dass mehrere derartige Schaltungen 5' bzw. LED-Einheiten 3, somit mehrere Kanäle oder Stränge 6, zueinander parallel geschaltet sind.
In 2 ist im Bereich der LED-Einheit 3 auch gezeigt, dass an den beispielsweise zwei LEDs 2 ein Spannungsabfall U₂ bzw. U₂ ' erfolgt. Die Summe dieser beiden Spannungsabfälle U₂ , U₂ ' (und gegebenenfalls weiterer Spannungsabfälle im Fall von mehreren LEDs 2 in der LED-Einheit 3) ergibt die Gesamtspannung U₃ an der LED-Einheit 3. Die einzelnen Spannungsabfälle U₂ , U₂ ' können nun abhängig von den einzelnen LEDs 2 verschieden sein, auch wenn ein und der selbe Strom I₃ durch die LEDs 2 fließt. Die LEDs werden üblicher Weise vom LED-Hersteller so sortiert, dass bei einem gegebenen Strom I₃ die gewünschte Lichtfarbe emittiert wird. Was jedoch zumeist nicht sortiert wird, ist der dabei an der LED 2 auftretende Spannungsabfall U₂ , U₂ '. Dadurch hat jede LED-Einheit 3 und somit jeder Strang oder Kanal 6 bei gleichem Strom I₃ einen anderen Spannungsabfall U₃ . Die Gliederung in „kleinere“ Gruppen von LEDs 2 hat in der Regel einen funktionalen Hintergrund oder aber den Grund, dass die Strangspannung nicht die „Berührspannungsgrenze“, die in Industriestandards unterschiedlich festgelegt wird, überschreitet.
Für jede LED-Einheit 3, somit für jeden Strang oder Kanal 6, wird nun ein extra geregelter Strom I₃ vorgesehen. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die einzelnen LEDs 2 die gewünschte Lichtfarbe (für die wie erwähnt der Strom den Ausschlag gibt) abstrahlen.
In 2 ist sodann noch im Bereich der LED-Einheit 3 mit Schaltern 9 angedeutet, dass die jeweiligen LEDs 2, zu denen die Schalter 9 parallel geschaltet sind, einzeln (gegebenenfalls auch gruppenweise) über eine Pulsweitenmodulation (PWM) gedimmt werden können. Über diese PWM wird die Helligkeit - durch das Tastverhältnis beim Ein- und Ausschalten der LEDs 2 - eingestellt, wie dies an sich bekannt ist. Für diese PWM-Ansteuerung ist insbesondere eine PWM-Einheit 9' vorgesehen, wie z.B. innerhalb einer Recheneinheit 10 in 3 angedeutet ist.
Die ungefähren Parameter der LEDs 2 sind bekannt oder können problemlos berechnet werden; die Versorgungsspannung, d.h. die Ausgangsspannung Uout des DC/DC-Konverters 4, ist weiters fest; Veränderungen in den einzelnen Regelungen der Stränge 6 sind in der Folge nur thermisch beeinflusst, wobei diese Veränderungen langsame Vorgänge sind, d.h. große Zeitkonstanten haben. Dies bringt mit sich, dass die Regelung oder Einstellung der einzelnen Buck-Konverter 5 der Stränge 6 anstatt durch jeweils eine eigene Regeleinheit 8 durch eine zentrale, gemeinsame Recheneinheit 10 eingestellt bzw. angesteuert werden können, wie aus 3 ersichtlich ist. Für die Ausregelung derartiger langsamer thermischer Vorgänge genügt beispielsweise eine Regelzeitkonstante von ungefähr 10 ms bis 100 ms. Dies bedeutet, dass auch für eine größer Anzahl von Kanälen bzw. Strängen 6 (z.B. für 16 Stränge 6), jeweils mit einem Buck-Konverter 5 und einer LED-Einheit 3, eine elektronische Recheneinheit 10, beispielsweise mit einem Mikrokontroller, ausreicht. Demgemäß ist für jeden Strang 6 ein einzelner Buck-Konverter 5 an die geregelte Ausgangsspannung Uout des DC/DC-Boost-Konverters 4 angeschlossen, und zur Regelung oder Stellung der mehreren Buck-Konverter 5 dient die Recheneinheit 10. Diese Recheneinheit 10 kann beispielsweise durch einen Ablauf im Mikrokontroller eines Steuergeräts 11 realisiert sein, wobei dieses Steuergerät 11 beispielsweise auch den Boost-Konverter 4 enthalten kann, wie in 1 schematisch angedeutet ist, und wobei dieses Steuergerät 11 ein von den jeweiligen Strängen 6 entferntes, an einer geeigneten Stelle (beispielsweise in einem Kraftfahrzeug) angebrachtes Gerät ist. Diese räumliche Trennung des Geräts 11 von den einzelnen Strängen 6 bringt den Vorteil mit sich, dass nachteilige Umgebungsbedingungen, wie z.B. in der Nähe eines Motors mit großer Erwärmung, sich nicht oder weniger ungünstig für die Ansteuerung der LEDs 2 insgesamt auswirken.
Durch das Vorsehen einer gemeinsamen, zentralen Recheneinheit 10 für alle Stränge 6 mit LED-Einheiten 3 können beispielsweise bei einer Vorrichtung 1 mit 16 Kanälen bzw. Strängen 6 15 gesonderte Regeleinheiten bzw. Regel-ICs vergleichbar der Einheit 8 in 2 eingespart werden.
Die Erfassung der Istgröße, d.h. des Stroms I₃ , pro Strang 6 erfolgt weiterhin über eine geeignete Messschaltung, wie z.B. die Messschaltung 7 in 2.
In 3 ist wie erwähnt die gemeinsame Recheneinheit 10 in Zuordnung zu mehreren gestrichelt veranschaulichten Strängen oder Kanälen 6, je mit einem Buck-Konverter 5, einer Messschaltung 7 und einer LED-Einheit 3, beispielsweise mit PWM-Schalter 9 (der jeweils nur ganz schematisch als Schalter dargestellt ist) gezeigt. Die Mehrzahl der LED-Einheiten 3 ist zu einer Beleuchtungseinheit 12 zusammengefasst, die als Block mit strichpunktierten Linien gezeigt ist.
Konkret sind in 3 zwei Stränge 6 gezeigt, wobei jedoch angedeutet ist, dass mehrere derartige Stränge, z.B. 16 Stränge, vorhanden sind. Bei jedem Strang geht von der jeweiligen Messschaltung 7 eine Istwert-Zuleitung 7A zur Recheneinheit 10, um dort die Istwerte der einzelnen Strang-Ströme I₃ zuzuführen. Andererseits sind Einstellverbindungen 8A zwischen der zentralen Recheneinheit 10 und den einzelnen Buck-Konvertern 5 der Stränge 6 veranschaulicht. Zusätzlich ist in 3 wie erwähnt gezeigt, dass in der Recheneinheit 10 auch die PWM-Einheit 9' realisiert ist, wobei entsprechende Ansteuerungen 9A für die Schalter 9 (die beispielsweise wie aus 2 ersichtlich ist durch Feldeffekttransistoren realisiert sein können) gezeigt sind. Durch die gleichzeitige Realisierung der PWM-Ansteuerung in der Recheneinheit 10 weiß letztere immer, ob für einen jeweiligen Strang 6 der Buck-Konverter 5 gerade arbeiten, d.h. in Betrieb sein muss, oder aber nicht, weil der Schalter 9 der zugehörigen LED-Einheit 3 geschlossen ist; dadurch kann zusätzlich Rechenkapazität in der Recheneinheit 10 eingespart werden.
Auch kann die Recheneinheit 10, wenn einzelne LEDs 2 eines Strangs 6 bzw. einer Einheit 3 gedimmt werden, etwa durch parallel geschaltete Transistoren, wie aus 2 ersichtlich, gegebenenfalls auch durch andere Schaltelemente, die den Strom übernehmen, wenn die jeweilige LED 2 „abgedreht“ werden soll, die jeweilige Stellgröße 8A rasch berechnen, wobei der neue Arbeitspunkt sofort annähernd richtig verfügbar ist. Demgegenüber müsste bei einzelnen Regeleinheiten der neue Arbeitspunkt von relativ weit weg „angefahren“ werden. Auf diese Weise kann mit der gemeinsamen Recheneinheit 10 auch verhindert werden, dass im jeweiligen Strang 6 ein Überstrom, d.h. ein zu hoher Strom I₃ , auftritt, der die LEDs 2 beschädigen könnte.
In 4 ist ein einzelner Strang 6 mit einem Buck-Konverter 5, der hier massebezogen ausgeführt ist, mit einer Messschaltung 7 und mit einer LED-Einheit 3 gezeigt. Der Buck-Konverter 5 in der massebezogenen Ausführung hat einen versorgungsseitigen Schalttransistor oder allgemein Schalter 13, der von der in 4 nicht gezeigten Recheneinheit 10 (s. aber 3) über den Stell- oder Schalteingang 8A angesteuert wird. In Serie mit dem Schalter 13 liegt eine Speicherinduktivität 14, und eine Diode 15 verhindert eine Entladung der Speicherinduktivität 14 in der falschen Richtung. Diese Diode 15 liegt mit einer Kathode an Masse, ebenso wie die LED-Einheit 3 am von der Speicherinduktivität 14 bzw. der Messschaltung 7 abgewandten Ende an Masse liegt. Eine derartige Schaltung eines Buck-Konverters 5 ist an sich bekannt und bedarf hier keiner weiteren Erläuterung. Über den Schalter 13 wird, durch das Ein- und Aus-Verhältnis, also das Tastverhältnis, die Größe des Spulenstroms und damit des Strang-Stroms I₃ eingestellt. Dieser Strom I₃ wird mit der Messschaltung 7 erfasst, und der Istwert wird bei 7A der Recheneinheit 10 (s. 3) zugeführt.
Die Messschaltung 7 kann an sich auf beliebige bekannte Weise ausgeführt sein, etwa mit Messung eines Spannungsabfalls an einem Shunt, mit einem Strom-Spannungswandler und dergl. Mitteln.
In 5 ist ein Beispiel für eine derartige Messschaltung 7 mit einem Messwiderstand 16 gezeigt.
Konkret ist in 5 in vergleichbarer Weise ein Strang 6 mit einem Buck-Konverter 5 und einer LED-Einheit 3 schematisch gezeigt. Der Buck-Konverter 5 ist hier jedoch versorgungsbezogen ausgeführt, wobei die Versorgungsspannung Uout, die vom Boost-Konverter 4 (s. 1) geliefert wird, direkt an die LED-Einheit 3 angelegt wird. Die Stromregelung im Buck-Konverter 5 erfolgt hingegen über einen Querzweig, wobei in diesem Querzweig der Schalter 13 (z.B. wiederum ein Transistor, insbesondere FET) angeordnet ist, zu dem in Serie die Diode 15 geschaltet ist. Am Verbindungspunkt zwischen Schalter 13 und Diode 15 schließt die Speicherinduktivität 14 an, die in einer Rückleitung von der LED-Einheit 3 angeordnet ist.
Der Schalter 13 liegt über einem Messwiderstand (Shunt) 16 an Masse, so dass der durch den Schalter 13 fließende Strom als Strom I₁₆ durch den Widerstand 16 der Messschaltung 7 fließt und so in diesem Widerstand 16 einen Spannungsabfall U₁₆ verursacht, der als Messgröße (Istwert-Größe) bei 7A der in 5 ebenfalls nicht näher eingezeichneten Recheneinheit 10 zugeführt wird. Die Recheneinheit 10 liefert andererseits wiederum bei 8A die Stellgröße, d.h. das Schaltsignal zum Ein- und Ausschalten des Schalters 13, um so die gewünschte Stromregelung zu realisieren.
In 6 ist ein Diagramm veranschaulicht, das den Verlauf des Stroms I₁₆ durch den Messwiderstand 16 und den Spannungsabfall U₁₆ am Widerstand 16 veranschaulicht, wobei mit dem Zeitpunkt t_OFF ein durch das Schaltsignal 8A veranlasster Ausschaltzeitpunkt des Schalters 13 veranschaulicht ist. Es ist gezeigt, dass nach einem Einschalten t_ON der Strom I₁₆ durch den Widerstand 16 (siehe die strichpunktierte Linie in 6) und damit die Spannung U₁₆ am Widerstand 16 annähernd linear ansteigt bis zum Abschaltzeitpunkt t_OFF. Danach fällt der Spulenstrom I₁₄ , wie mit gestrichelter Linie in 6 gezeigt ist, ab, bis das nächste Mal der Schalter 13 eingeschaltet wird.
Zeitversetzt dazu kann nun in einem anderen Strang 6 von der Recheneinheit 10 das Ein- und Ausschalten des Schalters 13 im zugehörigen Buck-Konverter 5 veranlasst werden, wie in 6 schematisch mit punktierter Linie gezeigt ist. Auf diese Weise kann in einer Art Zeitmultiplex-Verfahren, durch Verteilung der Ein- und Ausschaltzeitpunkte der Buck-Konverter 5 der verschiedenen Stränge 6, eine gleichmäßige Belastung der geregelten Versorgungsspannung Uout erreicht werden.
Die Ausführungsform gemäß 5, mit dem versorgungsbezogen ausgeführten Buck-Konverter 5, bei dem der Schalter 13 nicht mehr an der Versorgungsspannung, sondern an Masse liegt, bietet wie vorstehend beschrieben den großen Vorteil einer direkten Messschaltung 7, d.h. der Vermeidung einer eigenen Messschaltung 7 wie in 4 gezeigt, da einfach der Strom I₁₆ durch den Schalter 13 gemessen werden kann. Dieser Strom durch den Schalter 13 ist nämlich gleich dem Strom I₁₆ und insbesondere gleich dem Strom I₃ durch den Strang 6, wenn der Buck-Konverter 5 durch die Recheneinheit 10 angestoßen wird (Schaltsignal 8A); dieser Strom durch den Schalter 13 und damit durch den Messwiderstand 16 stellt somit bei eingeschaltetem Schalter 13 die Regelgröße (d.h. den Strang-Strom I₃ ) dar. Mit einer derartigen Ausführungsform werden nicht nur eigene Bauteile eingespart, sondern es wird auch die Effizienz des Buck-Konverters 5 erhöht.
Von Vorteil ist es auch, wenn synchron mit dem jeweiligen Abschaltzeitpunkt t_OFF (s. 6) der Stromwert I₁₆ bzw. proportional der Spannungsabfall U₁₆ gemessen wird, was mit Hilfe der Recheneinheit 10, die ja den Abschaltzeitpunkt über das Stellsignal 8A bestimmt, einfach realisierbar ist. Dadurch wird der Aufwand bei der Strommessung weiter reduziert, es wird aufgrund der Reduzierung der Bauteilanzahl die Toleranzkette verringert, und es wird die Genauigkeit der Messung erhöht. Da beim versorgungsbezogenen Buck-Konverter 5, wie in 5 gezeigt, der Shunt, d.h. Messwiderstand 16, an Masse liegt, kann nämlich die an ihm abfallende Spannung U₁₆ , direkt an einen passenden A/D-Wandler-Eingang der Recheneinheit 10 angelegt werden (s. Istwert-Zuleitung 7A in 3).
Eine vorteilhafte Ausführungsmöglichkeit besteht schließlich noch darin, dass zumindest ein Strang 6, mit einer LED-Einheit 3, eine Strangspannung beim erforderlichen Strom I₃ aufweist, die unter der oder um die minimale Eingangsspannung Uin des eingangseitigen, gemeinsamen Boost-Konverters 4 liegt. Dadurch ist bei Ausfall dieses Boost-Konverters 4 zumindest eine Notbeleuchtung realisierbar, wobei dann an seinem Ausgang, als Ausgangsspannung Uout, aufgrund der üblichen Boost-Konverter-Topologie ungefähr die Eingangsspannung Uin anliegt.

Claims

Vorrichtung (1) zur Energieversorgung von mehreren LED-Einheiten (3), mit einem gemeinsamen, eine geregelte Ausgangsspannung abgebenden DC/DC-Konverter (4), an den mehrere Stränge (6), je mit einem Buck-Konverter (5) und einer damit verbundenen LED-Einheit (3), angeschlossen sind, und mit Mitteln (8) zum Regeln bzw. Einstellen der den LED-Einheiten (3) zuzuführenden Strang-Ströme (I₃), wobei die Mittel zum Regeln bzw. Einstellen der Strang-Ströme durch eine zentrale, gemeinsame Recheneinheit (10) gebildet sind, die Istwerte (7A) entsprechend den einzelnen Strang-Strömen (I₃) zugeführt erhält und mit entsprechenden Stelleingängen der jeweiligen Buck-Konverter (5) zum Anlegen von auf Basis der Istwerte berechneten Stellwerten (8A) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (10) ausgangsseitig weiters mit PWM-Schaltmitteln (9) der LEDs (2) verbunden ist und dazu eingerichtet ist, ein Dimmen der LEDs mittels PWM durchzuführen, und die Recheneinheit (10) eingerichtet ist, die Stellwerte (8A) auf Basis der PWM-Tastverhältnisse zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (10) eingerichtet ist, die einzelnen Buck-Konverter (5) in einem Zeitmultiplex-Verfahren anzusteuern.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Buck-Konverter (5) versorgungsbezogen ausgeführt sind, wobei ein von der Recheneinheit (10) angesteuerter Schalter (13) jedes Buck-Konverters (5) in Serie mit einer Diode (15) in Sperrrichtung zwischen einer Energieversorgungsleitung und Masse liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Istwert-Erfassung der Strom (I₁₆) durch den Schalter (13) herangezogen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Istwert-Erfassung der vom durch den Schalter (13) fließenden Strom (I₃) an einem in Reihe mit dem Schalter angeordneten Widerstand (16) bewirkte Spannungsabfall (U₁₆) gemessen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Istwert synchron mit einem jeweiligen Abschalten des Schalters (13) ermittelt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Konverter (4) in ein von den Buck-Konvertern (5) mit den LED-Einheiten (3) gesondertes Gerät (11) ausgelagert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine LED-Einheit (3) eine Strangspannung, bei Betriebsstrom, aufweist, die im Bereich der minimalen Eingangsspannung (Uin) des DC/DC-Konverters (4) oder darunter liegt, wodurch bei Ausfall des DC/DC-Konverters (4) eine Notbeleuchtung realisiert ist.