Circuite de conducători auto LED - Analiză de proiectare

În mașini sau automobile, LED-urile au devenit alegerea preferată a iluminatului. Fie că este vorba de farurile din spate sau de indicatoarele indicatoare din cluster, așa cum se indică în Figura 1 de mai jos, toate încorporează LED-uri în zilele noastre. Dimensiunile lor compacte ajută la versatilitate în design și oferă posibilitatea ca acesta să fie la fel de durabil ca și speranța de viață a vehiculului.

Figura 1

Pe de altă parte, chiar dacă LED-urile sunt dispozitive extrem de eficiente, ele sunt vulnerabile la deteriorarea cauzată de parametrii neregulati de tensiune, curent și temperatură, în special în ecosistemul auto dur.

Pentru a putea îmbunătăți eficiența și permanența luminii cu LED-uri, Proiectare circuit LED driver cere o analiză prudentă.

Circuitele electronice care sunt aplicate ca drivere LED utilizează în mod fundamental tranzistoarele. O topologie de circuit standard frecvent utilizată în driverele LED se întâmplă să fie topologia liniară, unde tranzistorul este proiectat să funcționeze în interiorul regiunii liniare.

Această topologie ne oferă opțiunea de a face circuite driver numai prin tranzistoare sau folosind circuite integrate specializate cu tranzistoare încorporate și funcții suplimentare de îmbunătățire a LED-urilor.

În aplicații discrete, tranzistoarele de joncțiune bipolare (BJT), care sunt produse de marfă foarte accesibile, tind să fie preferate.

În ciuda faptului că BJT-urile sunt ușor de configurat din punct de vedere al circuitului, pot fi găsite complicații majore în timp ce se creează o soluție totală de driver LED care îndeplinește precizia de control a curentului, dimensiunea PCB-ului, gestionarea căldurii și diagnosticarea defecțiunilor, care sunt câteva condiții prealabile importante pe tot parcursul întreaga tensiune de alimentare și intervalul de temperatură.

În plus, ca cantitatea de LED-uri crește , proiectarea circuitelor folosind etape discrete BJT devin și mai sofisticate.

Comparativ cu piesele discrete, aplicarea Alternative bazate pe IC par a fi mai convenabil în ceea ce privește aspectul circuitului, dar în plus procedurile de proiectare și evaluare.

În afară de aceasta, remediul general poate fi și mai accesibil.

Parametrii pentru proiectarea driverelor LED auto

Prin urmare, atunci când proiectați circuite de driver LED pentru un iluminatul auto aplicație, este esențial să se ia în considerare punctele focale LED, să se evalueze alternativele de proiectare a circuitelor și factorii în cerințele sistemului.

Un LED este de fapt o diodă de joncțiune de tip N (PN) de tip P care permite curentului să se deplaseze prin el doar într-o singură direcție. Curentul începe să curgă de îndată ce tensiunea de pe LED atinge tensiunea minimă înainte (VF).

Nivelul de iluminare sau luminozitatea unui LED este determinat de curentul direct (IF), în timp ce cantitatea de curent consumată de un LED depinde de tensiunea aplicată pe LED.

Chiar dacă luminozitatea LED-ului și curentul direct IF sunt legate liniar, chiar și o ușoară creștere a tensiunii directe VF peste LED poate declanșa o escaladare rapidă a admisiei curente a LED-ului.

LED-urile cu specificații de culoare diferite au specificații VF și IF diferite datorită ingredientelor lor semiconductoare specifice (Figura 2). Este necesar să se ia în considerare specificațiile fișei tehnice ale fiecărui LED, în special în timp ce se aplică LED-uri de culoare diferite într-un singur circuit.

Figura # 2

De exemplu, atunci când se dezvoltă cu iluminare roșu-verde-albastru (RGB) , un LED roșu poate veni cu o tensiune nominală de aproximativ 2 V, în timp ce același lucru pentru un LED albastru și verde ar putea fi în jur de 3 până la 4 V.

Având în vedere că utilizați aceste LED-uri de la o singură sursă de tensiune comună, este posibil să aveți nevoie de un calcul bine calculat rezistor de limitare a curentului pentru fiecare dintre LED-urile colorate, pentru a evita deteriorarea LED-urilor.

Eficiență termică și energetică

În afară de parametrii de tensiune și curent de alimentare, temperatura și eficiența energiei necesită, de asemenea, o analiză atentă. Deși, cea mai mare parte a curentului aplicat pe un LED este transformat în lumină LED, o cantitate mică de energie este transformată în căldură în joncțiunea PN a dispozitivului.

Temperatura generată pe o joncțiune LED ar putea fi grav afectată de câțiva parametri externi, cum ar fi:

• după temperatura atmosferică (TA),
• prin rezistența termică dintre joncțiunea LED și aerul ambiant (RθJA),
• și prin disiparea puterii (PD).

Următoarea ecuație 1 dezvăluie specificația de disipare a puterii PD a unui LED:

PD = VF × IF ------------ Eq # 1

Cu ajutorul celor de mai sus, putem deriva în continuare următoarea ecuație care calculează temperatura de joncțiune (TJ) a unui LED:

TJ = TA + RθJA × PD ---------- Eq # 2

Este esențial să se determine TJ nu doar în condiții normale de lucru, ci și sub o temperatură ambiantă maximă absolută TA a proiectului, în ceea ce privește cele mai nefavorabile situații.

Pe măsură ce temperatura de joncțiune LED TJ crește, eficiența sa de lucru se deteriorează. IF-ul curent înainte al LED-ului și temperatura de joncțiune TJ trebuie să rămână sub valorile maxime absolute, clasificate în fișele tehnice, pentru a proteja împotriva distrugerii (Figura 3).

Figura # 3

Pe lângă LED-uri, ar trebui să luați în considerare și eficiența energetică a rezistențelor și a elementelor de acționare, cum ar fi BJT-urile și amplificatoarele operaționale (amplificatori op.), În special pe măsură ce crește cantitatea de componente discrete.

Eficiența energetică necorespunzătoare a treptelor conducătorului auto, perioada de timp a LED-ului și / sau temperatura ambiantă, toți acești factori pot duce la o creștere a temperaturii dispozitivului, influențând ieșirea curentă a driverului BJT și reducând scăderea VF a LED-urilor .

Pe măsură ce creșterea temperaturii reduce scăderea de tensiune a LED-urilor, rata de consum curentă a LED-ului crește, ducând la o disipare a puterii proporțional crescută, PD și temperatura, ceea ce determină o reducere suplimentară a scăderii de tensiune directă a LED-ului VF.

Acest ciclu de creștere continuă a temperaturii, denumit și „fugă termică”, forțează LED-urile să funcționeze peste temperatura lor optimă de funcționare, provocând o degradare rapidă și la un moment dat defectarea dispozitivului, din cauza unui nivel crescut de consum de IF .

Drivere cu LED liniare

Operarea LED-urilor liniar fie prin tranzistoare, fie prin circuite integrate este de fapt destul de convenabilă. Dintre toate posibilitățile, cea mai simplă abordare pentru a controla un LED este, de obicei, să îl conectați chiar pe sursa de tensiune de alimentare (VS).

Având rezistența corectă care limitează curentul, restricționează consumul de curent al dispozitivului și remediază o cădere exactă de tensiune pentru LED. Următoarea ecuație 3 poate fi utilizată pentru calculul valorii rezistorului de serie (RS):

RS = VS - VF / IF ---------- Eq # 3

Referindu-ne la Figura # 4, vedem că 3 LED-uri sunt utilizate în serie, întreaga cădere de tensiune VF pe cele 3 LED-uri ar trebui luată în considerare prin calculul VF (curentul direct al LED-ului IF rămâne constant.)

Figura # 4

Deși aceasta poate fi cea mai simplă configurație a driverului LED, poate fi destul de nepractică într-o implementare din viața reală.

Sursele de alimentare, în special bateriile auto, sunt susceptibile la fluctuații de tensiune.

O creștere minoră a intrării de alimentare declanșează LED-ul să atragă cantități mai mari de curent și, prin urmare, să fie distrus.

Mai mult decât atât, disiparea excesivă a puterii PD în rezistor crește temperatura dispozitivului, ceea ce poate duce la scăpare termică.

Drivere discrete cu curent constant pentru aplicații auto

Când se folosește o caracteristică de curent constant, aceasta asigură un aspect îmbunătățit, eficient din punct de vedere energetic și fiabil. Deoarece cea mai răspândită tehnică de acționare a unui LED este printr-o comutare pornită și oprită, un tranzistor permite o alimentare cu curent bine reglată.

Figura # 5

Referindu-ne la Figura 5 de mai sus, poate fi posibil să alegeți fie un BJT, fie un MOSFET, pe baza specificațiilor de tensiune și curent ale configurației LED. Tranzistoarele gestionează cu ușurință o putere mai mare comparativ cu un rezistor, dar sunt susceptibile la creșteri și coborâri de tensiune și variații de temperatură. De exemplu, când tensiunea din jurul unui BJT crește, curentul său crește, de asemenea, proporțional.

Pentru a garanta o stabilitate suplimentară, este posibil să personalizați aceste circuite BJT sau MOSFET pentru a furniza curent constant, în ciuda dezechilibrelor în tensiunea de alimentare.

Proiectarea sursei de curent LED

Figurile 6-8 demonstrează o mână de ilustrații ale circuitului sursă de curent.

În Figura 6, o diodă Zener generează o tensiune de ieșire stabilă în baza tranzistorului.

Rezistorul cu limitare de curent RZ asigură un curent controlat pentru a permite diodei Zener să funcționeze corect.

Ieșirea diodei Zener produce o tensiune constantă în ciuda fluctuațiilor tensiunii de alimentare.

Căderea de tensiune peste rezistorul emițătorului RE ar trebui să completeze căderea de tensiune a diodei Zener, prin urmare tranzistorul reglează curentul colectorului, care asigură că curentul prin LED-uri rămâne constant constant.

Utilizarea unui feedback Amp Op

În Figura 7 de mai jos, este prezentat un circuit amplificator op cu o buclă de feedback pentru realizarea unui circuit de control LED auto ideal. Conexiunea de feedback asigură că ieșirea este reglată automat pentru ca potențialul dezvoltat la intrarea sa negativă să rămână egal cu intrarea sa de referință pozitivă.

O diodă Zener este prinsă pentru a genera o tensiune de referință la intrarea care nu inversează amplificatorul op. În cazul în care curentul LED-urilor depășește o valoare prestabilită, acesta dezvoltă o cantitate proporțională de tensiune pe rezistorul de sens RS, care încearcă să depășească valoarea de referință zener.

Deoarece acest lucru face ca tensiunea la intrarea inversă negativă a amplificatorului op să depășească valoarea zener pozitivă de referință, forțează ieșirea amplificatorului op să se oprească, ceea ce la rândul său reduce curentul LED și, de asemenea, tensiunea pe RS.

Această situație revine din nou la ieșirea amplificatorului op pentru a porni starea ON și activează LED-ul, iar această acțiune de auto-reglare a amplificatorului op continuă asigurându-se infinit că curentul LED nu depășește niciodată nivelul nesigur calculat.

Figura 8 de mai sus ilustrează încă un design bazat pe feedback realizat folosind câteva BJT. Aici, curentul curge prin intermediul R1, pornind tranzistorul Q1. Curentul continuă să călătorească prin R2, care fixează cantitatea corectă de curent prin LED-uri.

În cazul în care acest curent LED prin R2 încearcă să depășească valoarea prestabilită, căderea de tensiune pe R2 crește, de asemenea, proporțional. În momentul în care această cădere de tensiune crește până la tensiunea de la bază la emițător (Vbe) a tranzistorului Q2, Q2 începe să pornească.

Dacă este pornit, Q2 începe acum să treacă curent prin R1, forțând Q1 să înceapă să se oprească, iar starea continuă să regleze curentul prin LED, asigurându-se că curentul LED nu depășește niciodată nivelul nesigur.

Acest limitator de curent tranzistorizat cu bucla de feedback garantează o alimentare constantă de curent către LED-uri conform valorii calculate a lui R2. În exemplul de mai sus sunt implementate BJT-uri, dar totuși este, de asemenea, fezabil să utilizați MOSFET-uri în acest circuit, pentru aplicații cu curent mai mare.

Drivere LED cu curent constant care utilizează circuite integrate

Aceste blocuri esențiale bazate pe tranzistori, ar putea fi ușor de reprodus pentru a opera mai multe șiruri de LED-uri, așa cum se arată în Figura 9.

Controlul unui grup de Corzi LED determină creșterea rapidă a numărului de componente, ocupând un spațiu PCB mai mare și consumând un număr mai mare de pini de intrare / ieșire de uz general (GPIO).

Mai mult decât atât, astfel de modele sunt practic lipsite de considerații de control al luminozității și de diagnosticare a defecțiunilor, care sunt nevoi esențiale pentru majoritatea aplicațiilor LED de putere.

Pentru includerea specificațiilor precum controlul luminozității și diagnosticarea defecțiunilor necesită un număr suplimentar de componente discrete și proceduri de analiză de proiectare adăugate.

Proiecte LED care includ număr mai mare de LED-uri , face ca proiectele de circuite discrete să includă un număr mai mare de piese, crescând complexitatea circuitului.

Pentru a eficientiza procesul de proiectare, se consideră cel mai eficient să se aplice circuite integrate specializate pentru a funcționa ca drivere LED . Multe dintre componentele discrete, așa cum este indicat în Figura 9, ar putea fi ușurate cu un driver LED bazat pe IC, așa cum se arată în Figura 10.

Figura # 10

IC-urile driverului LED sunt special concepute pentru abordarea specificațiilor critice de tensiune, curent și temperatură ale LED-urilor și, de asemenea, pentru a minimiza numărul de piese și dimensiunile plăcii.

În plus, IC-urile driverului LED pot avea caracteristici suplimentare pentru controlul luminozității și diagnosticare, inclusiv protecție la supratemperatură. Acestea fiind spuse, ar putea fi posibil să se realizeze caracteristicile avansate de mai sus folosind și modele discrete bazate pe BJT, dar IC-urile par a fi o alternativă mai ușoară, comparativ.

Provocări în aplicațiile LED auto

În multe implementări LED auto, controlul luminozității devine o necesitate esențială.

Deoarece reglarea curentului direct IF prin LED reglează proporțional nivelul de luminozitate, pot fi utilizate modele analogice pentru obținerea rezultatelor. O metodă digitală de control al luminozității LED-ului este prin modularea PWM sau a lățimii impulsurilor. Următoarele detalii analizează cele două concepte și arată cum pot fi aplicate pentru aplicații LED auto

Diferența dintre controlul luminozității cu LED-uri analogice și PWM

Figura 11 evaluează diferența principală între metodele analogice și digitale de control al luminozității LED-urilor.

Figura # 11

Prin utilizarea controlului analogic al luminozității LED-ului, iluminarea LED-ului este modificată prin magnitudinea curentului curent, rezultând un curent mai mare, rezultând o luminozitate crescută și invers.

Însă, calitatea controlului luminozității analogice sau al luminozității nu este satisfăcătoare, în special la intervale de luminozitate mai mici. Atenuarea analogică nu este de obicei adecvată pentru aplicațiile cu LED-uri dependente de culoare, cum ar fi iluminarea RGB sau indicatorii de stare, deoarece variația IF tinde să afecteze ieșirea de culoare a LED-ului, provocând o rezoluție slabă a culorilor din LED-urile RGB.

În contrast, Dimmere LED bazate pe PWM nu variați LED-ul curentului înainte IF, ci mai degrabă controlează intensitatea prin variația ratei de comutare ON / OFF a LED-urilor. Apoi, timpul mediu de pornire a curentului LED decide luminozitatea proporțională pe LED. Se mai numește și ciclul de funcționare (raportul lățimii impulsului peste intervalul impulsului PWM). Prin intermediul PWM, un ciclu de funcționare mai mare are ca rezultat un curent mediu mai mare prin LED, provocând o luminozitate mai mare și invers.

Datorită faptului că puteți regla fin ciclul de funcționare la diferite game de iluminare, reglarea PWM ajută la obținerea unui raport de reglare mult mai larg în comparație cu reglarea analogică.

Deși PWM garantează o ieșire îmbunătățită a controlului luminozității, necesită o analiză mai mare a designului. Frecvența PWM trebuie să fie mult mai mare decât ceea ce poate percepe viziunea noastră, altfel LED-urile pot ajunge să pară ca și cum ar fi pâlpâit. Mai mult, circuitele de reglare PWM sunt notorii pentru generarea de interferențe electromagnetice (EMI).

Interferența de la driverele LED

Un circuit de conducător auto LED construit cu un control EMI inadecvat poate afecta negativ alte software-uri electronice învecinate, cum ar fi generarea de zgomot de zgomot în radio sau echipamente audio sensibile similare.

Circuitele LED ale driverelor vă pot oferi cu siguranță atât funcții de estompare analogică, cât și PWM, împreună cu funcții suplimentare pentru abordarea EMI, cum ar fi rata de rotire programabilă sau schimbarea de fază a canalului de ieșire sau întârzierea grupului.

Diagnosticare LED și raportare defecțiuni

Diagnosticarea LED-urilor care include supraîncălzirea, scurtcircuitul sau circuitul deschis sunt o condiție prealabilă de proiectare populară, în special atunci când aplicația necesită o funcționare multiplă cu LED-uri. Minimizând riscul de funcționare defectuoasă a LED-urilor, driverele LED au curent de ieșire reglat cu o precizie mai mare decât topolgiile discrete ale driverelor.

Împreună cu aceasta, driverele IC încorporează suplimentar protecție la supra-temperatură pentru a asigura o speranță de viață operațională mai mare a LED-urilor și a circuitului driverului în sine.

Driverele LED proiectate pentru automobile trebuie să fie echipate pentru a detecta erorile, de exemplu un LED deschis sau scurtcircuit. Câteva aplicații ar putea necesita, de asemenea, măsuri de urmărire pentru a contracara o eroare detectată.

De exemplu, un modul de lumină spate pentru mașină include o serie de șiruri de LED-uri pentru a ilumina farurile din spate și luminile de frână. În cazul în care se detectează o defecțiune a LED-ului întrerupt într-una dintre șirurile de LED-uri, atunci circuitul trebuie să fie capabil să oprească întreaga gamă de LED-uri, astfel încât să se asigure că pot fi evitate deteriorări suplimentare ale LED-urilor rămase.

Acțiunea ar avertiza, de asemenea, utilizatorul cu privire la modulul LED degradat nestandard care trebuie dezinstalat și trimis producătorului pentru întreținere.

Module de control al corpului (BCM)

Pentru a putea oferi o alertă de diagnosticare utilizatorului mașinii, un comutator inteligent în partea superioară din modulul de control al corpului (BCM) înregistrează o defecțiune prin elementul de lumină din spate așa cum este ilustrat în Figura 12 de mai sus.

Acestea fiind spuse, identificarea unui defect LED prin BCM ar putea fi complicată. Ocazional, puteți utiliza același design al plăcii BCM pentru a detecta un circuit standard pe bază de bec incandescent sau un sistem bazat pe LED, deoarece curentul LED are tendința de a fi substanțial mai mic, spre deosebire de consumul de bec incandescent, diferențierea dintre o încărcare logică a LED-urilor.

Concluzie

O sarcină deschisă sau deconectată ar putea fi dificil de identificat dacă diagnosticul cu sens curent nu este proiectat cu precizie. În loc să aveți un șir LED deschis individual, oprirea întregului șir de șiruri LED devine mai ușor de detectat pentru BCM pentru raportarea unei situații de încărcare deschisă. O condiție care asigură că, dacă One-LED-fail, atunci criteriul All-LED-fail ar putea fi executat pentru a opri toate LED-urile la detectarea unui singur defect LED. Driverele cu LED liniare auto includ funcția care permite o reacție de un singur eșec și poate identifica o magistrală de eroare comună pe mai multe configurații de circuite integrate.