Автомобилни LED драйвери - Анализ на дизайна

В автомобилите или автомобилите светодиодите са се превърнали в предпочитан избор на осветление. Независимо дали става въпрос за задните светлини или индикаторите за сигнализация в клъстера, както е показано на фигура 1 по-долу, всички в днешно време включват светодиоди. Техните компактни размери спомагат за гъвкавостта на дизайна и предлагат перспективата да бъде толкова издръжлива, колкото самата продължителност на живота на автомобила.

Фигура 1

От друга страна, въпреки че светодиодите са високоефективни устройства, те са уязвими към влошаване от нерегулирани параметри на напрежението, тока и температурата, особено в суровата автомобилна екосистема.

За да можете да подобрите ефективността и постоянството на LED светлината, LED схема на драйвера изисква предпазлив анализ.

Електронните схеми, които се прилагат като LED драйвери, основно използват транзистори. Една стандартна топология на веригата, често използвана в LED драйверите, е линейната топология, където транзисторът е проектиран да работи вътре в линейната област.

Тази топология ни дава възможност да направим схеми на драйвера само през транзистори или използване на специализирани интегрални схеми с вградени транзистори и допълнителни функции за подобряване на LED.

При дискретни приложения биполярните преходни транзистори (BJT), които са високодостъпни стокови продукти, са предпочитани.

Въпреки факта, че BJT са лесни за конфигуриране от гледна точка на веригата, могат да бъдат намерени основни усложнения, докато се създава цялостно решение за LED драйвер, което отговаря на текущата точност на управление, размер на печатни платки, управление на топлината и диагностика на неизправности, които са няколко важни предпоставки целия работен захранващо напрежение и температурен диапазон.

Освен това, тъй като количеството светодиоди се увеличава , дизайнът на веригата с помощта на дискретни BJT етапи става още по-сложен.

В сравнение с дискретни части, прилагането IC базирани алтернативи изглеждат по-удобни по отношение на оформлението на веригата, но освен това процедурите за проектиране и оценка.

Освен това, общото лекарство може да е дори по-достъпно.

Параметри за проектиране на автомобилни LED драйвери

Следователно, при проектирането на схеми за светодиодни драйвери за автомобилно осветление Приложението е от съществено значение да се разгледат фокусните точки на светодиодите, да се оценят алтернативите на дизайна на веригата и факторите в системните изисквания.

LED всъщност е P-тип N-тип (PN) свързващ диод, който позволява на тока да се движи през него само в една посока. Токът започва да тече веднага щом напрежението на светодиода достигне минималното напрежение напред (VF).

Нивото на осветеност или яркостта на светодиода се определя от предния ток (IF), докато колко ток консумира LED зависи от напрежението, приложено върху светодиода.

Въпреки че яркостта на светодиода и предният ток IF са линейно свързани, дори леко увеличаване на напрежението VF на напрежението през светодиода може да предизвика бързо нарастване на текущия прием на светодиода.

Светодиодите с различни цветови спецификации имат различни VF и IF спецификации поради специфичните им полупроводникови съставки (Фигура 2). Необходимо е да се вземат предвид спецификациите на листа с данни на всеки светодиод, по-специално при прилагане на различни цветни светодиоди в рамките на една верига.

Фигура # 2

Например, когато се разработва с червено-зелено-синьо (RGB) осветление , червеният светодиод може да идва с напрежение напред около 2 V, докато същото за сините и зелените светодиоди може да бъде около 3 до 4 V.

Като се има предвид, че управлявате тези светодиоди от едно общо захранващо напрежение, може да се наложи добре изчислено токоограничаващ резистор за всеки от цветните светодиоди, за да се избегне влошаване на светодиода.

Топлинна и енергийна ефективност

Освен параметрите на захранващото напрежение и ток, температурата и енергийната ефективност също изискват внимателен анализ. Въпреки че по-голямата част от тока, прилаган през LED, се преобразува в LED светлина, малко количество мощност се превръща в топлина в PN връзката на устройството.

Температурата, генерирана през LED кръстовище, може да бъде сериозно повлияна от няколко външни параметъра като:

• от атмосферната температура (TA),
• от термичното съпротивление между LED кръстовището и околния въздух (RθJA),
• и от разсейването на мощността (PD).

Следното уравнение 1 разкрива спецификацията на разсейване на мощността PD на светодиода:

PD = VF × IF ------------ Уравнение # 1

С помощта на горното можем по-нататък да изведем следното уравнение, което изчислява температурата на свързване (TJ) на светодиода:

TJ = TA + RθJA × PD ---------- уравнение # 2

От съществено значение е да се определи TJ не само при нормални условия на работа, но и при абсолютна максимална температура на околната среда TA на проекта, по отношение на опасенията в най-лошия сценарий.

Тъй като температурата на светодиодния преход TJ се увеличава, ефективността му на работа се влошава. Продължителният ток на ПЧ и температурата на свързване на светодиода трябва да остане под абсолютните им максимални стойности, класифицирани в таблиците с данни, за да се предпази от разрушаване (Фигура 3).

Фигура # 3

Освен светодиодите, трябва да вземете предвид и енергийната ефективност на резисторите и задвижващите елементи като BJT и операционни усилватели (операционни усилватели), особено когато количеството на отделните компоненти се увеличава.

Недостатъчна енергийна ефективност на стъпалата на драйвера, периодът на включване на светодиода и / или околната температура, всички тези фактори могат да доведат до повишаване на температурата на устройството, повлиявайки текущата мощност на BJT драйвер и намалявайки VF спада на светодиодите .

Тъй като повишаването на температурата намалява падането на напрежението на светодиодите, скоростта на текущата консумация на светодиода се увеличава, което води до пропорционално увеличено разсейване на мощността PD и температура, а това води до допълнително намаляване на спада на напрежението VF на LED.

Този цикъл на непрекъснато повишаване на температурата, наричан още „термично избягване“, принуждава светодиодите да функционират над оптималната си работна температура, причинявайки бързо разграждане и в даден момент отказ на устройството, поради повишено ниво на консумация на ПЧ .

Линейни LED драйвери

Работата с светодиоди линейно чрез транзистори или интегрални схеми всъщност е доста удобна. От всички възможности най-простият подход за управление на светодиода обикновено е да го свържете точно през източника на захранващо напрежение (VS).

Наличието на десния резистор за ограничаване на тока ограничава тока на устройството и фиксира точен спад на напрежението за светодиода. Следващото уравнение 3 може да се използва за изчисляване на стойността на серийния резистор (RS):

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

Позовавайки се на фигура # 4, виждаме, че 3 светодиода се използват последователно, целият спад на напрежението VF през 3-те светодиода трябва да се вземе предвид при изчислението на VF (предният ток на светодиода IF остава постоянен.)

Фигура # 4

Въпреки че това може да е най-простата конфигурация на светодиоден драйвер, може да е доста непрактично в реалното изпълнение.

Захранванията, особено автомобилните батерии, са податливи на колебания на напрежението.

Незначително увеличение на захранващия вход задейства светодиода да изтегли по-големи количества ток и следователно да бъде унищожен.

Освен това, прекомерното разсейване на мощност PD в резистора повишава температурата на устройството, което може да доведе до топлинно изтичане.

Дискретни LED драйвери с постоянен ток за автомобилно приложение

Когато се използва функция с постоянен ток, тя осигурява подобрено енергийно ефективно и надеждно оформление. Тъй като най-разпространената техника за управление на LED е чрез включване и изключване, транзисторът позволява добре регулирано захранване с ток.

Фигура # 5

Позовавайки се на фигура 5 по-горе, може да е възможно да изберете или BJT, или MOSFET, въз основа на спецификациите за напрежение и ток на конфигурацията на LED. Транзисторите лесно се справят с по-голяма мощност в сравнение с резистор, но са податливи на нараствания и спадове на напрежението и температурни колебания. Например, когато напрежението около BJT се повиши, токът му също пропорционално се увеличава.

За да се гарантира допълнителна стабилност, е възможно да се персонализират тези BJT или MOSFET вериги, за да доставят постоянен ток, въпреки че имат дисбаланси в захранващото напрежение.

Проектиране на LED източник на ток

Фигури 6 до 8 демонстрират шепа илюстрации на верига източник на ток.

На фигура 6 ценеровият диод генерира стабилно изходно напрежение в основата на транзистора.

Резистор за ограничаване на тока RZ осигурява контролиран ток, за да позволи на ценеровият диод да работи правилно.

Изходът на ценеров диод произвежда постоянно напрежение въпреки колебанията в захранващото напрежение.

Спадът на напрежението върху емитерния резистор RE трябва да допълва спада на напрежението на ценеровия диод, поради което транзисторът регулира колекторния ток, което гарантира, че токът през светодиодите винаги остава постоянен.

Използване на обратна връзка за усилвател

На Фигура 7 по-долу е показана операционна усилвателна схема с контур за обратна връзка за създаване на идеална схема за автомобилен LED контролер. Връзката с обратна връзка гарантира, че изходът се настройва автоматично, така че потенциалът, развит при отрицателния му вход, да остане равен на положителния референтен вход.

Ценеровият диод е затегнат, за да генерира еталонно напрежение на неинвертиращия вход на операционния усилвател. В случай че токът на светодиодите надвишава предварително определена стойност, той развива пропорционално количество напрежение в сензорния резистор RS, който се опитва да надмине референтната стойност на ценеровия.

Тъй като това кара напрежението на отрицателния инвертиращ вход на операционния усилвател да надвиши положителната референтна ценерова стойност, принуждава изхода на операционния усилвател да се изключи, което от своя страна намалява LED тока, а също и напрежението в RS.

Тази ситуация отново връща изхода на операционния усилвател, за да включи състоянието и активира светодиода, и това саморегулиращо се действие на операционния усилвател продължава безкрайно, гарантирайки, че токът на светодиода никога не надвишава изчисленото опасно ниво.

Фигура 8 по-горе илюстрира още един дизайн, базиран на обратна връзка, изпълнен с помощта на няколко BJT. Тук токът протича посредством R1, включващ транзистор Q1. Токът продължава да се движи през R2, който фиксира правилното количество ток през светодиодите.

В случай че този светодиоден ток през R2 се опита да надвиши предварително определената стойност, спадът на напрежението в R2 също се увеличава пропорционално. В момента, в който този спад на напрежението се повиши до напрежението от база към емитер (Vbe) на транзистора Q2, Q2 започва да се включва.

Включването Q2 сега започва да изтегля ток през R1, принуждавайки Q1 да започне да се изключва и състоянието продължава да се саморегулира тока през светодиода, като гарантира, че светодиодният ток никога не надхвърля опасното ниво.

Това транзисторен ограничител на тока с обратна връзка гарантира постоянно подаване на ток към светодиодите според изчислената стойност на R2. В горния пример са внедрени BJT, но въпреки това е възможно да се използват MOSFET в тази схема за приложения с по-висок ток.

Светодиодни драйвери с постоянен ток, използващи интегрални схеми

Тези основни транзисторни градивни блокове могат лесно да бъдат репликирани, за да работят с няколко низа от LED, както е показано на Фигура 9.

Контролиране на група от LED струни бързо причинява нарастване на броя на компонентите, заемайки по-голямо пространство на печатни платки и консумирайки повече броя на щифтовете за въвеждане / извеждане с общо предназначение (GPIO).

Освен това такива конструкции всъщност са без съображения за контрол на яркостта и диагностика на неизправности, които са съществени нужди за повечето приложения за LED мощност.

За включване на спецификациите като контрол на яркостта и диагностика на неизправности се изисква допълнителен брой дискретни компоненти и добавени процедури за анализ на дизайна.

LED дизайни, които включват по-голям брой светодиоди , кара дискретни схеми да включват по-голям брой части, увеличавайки сложността на веригата.

За да се рационализира процесът на проектиране, се счита за най-ефективно прилагането специализирани интегрални схеми, които да функционират като LED драйвери . Много от дискретни компоненти, както е показано на фигура 9, могат да бъдат улеснени с LED драйвер, базиран на интегрална схема, както е показано на фигура 10.

Фигура # 10

Интегралните схеми за LED драйвери са специално проектирани за справяне със спецификациите на критичното напрежение, ток и температура на светодиодите, както и за минимизиране на броя на частите и размерите на платката.

Освен това, интегралните схеми за LED драйвери могат да имат допълнителни функции за контрол на яркостта и диагностика, включително защита от прекомерна температура. Въпреки това, може да е възможно да се постигнат горните разширени функции, като се използват и дискретни BJT базирани проекти, но интегралните схеми изглеждат по-лесна алтернатива, сравнително.

Предизвикателства в автомобилните LED приложения

В много автомобилни LED приложения контролът на яркостта се превръща в съществена необходимост.

Тъй като регулирането на предния ток IF чрез светодиода регулира пропорционално нивото на яркост, за постигане на резултатите могат да се използват аналогови дизайни. Цифровият метод за управление на яркостта на LED е чрез ШИМ или широчинно-импулсна модулация. Следващите подробности анализират двете концепции и показват как те могат да бъдат приложени за автомобилни LED приложения

Разлика между контрол на яркостта на аналоговия и ШИМ светодиода

Фигура 11 оценява основната разлика между аналоговите и цифровите методи за управление на яркостта на LED.

Фигура # 11

Чрез използване на аналогов светодиоден контрол на яркостта, LED осветлението се променя чрез величината на текущия ток, по-големият ток води до повишена яркост и обратно.

Но качеството на аналоговото затъмняване или контрол на яркостта не е задоволително, особено при по-ниски диапазони на яркост. Аналоговото затъмняване обикновено не е подходящо за цветозависими LED приложения, като RGB осветление или индикатори за състоянието, тъй като променливият IF има тенденция да повлияе на цветовата продукция на LED, причинявайки лоша цветова разделителна способност от RGB светодиодите.

За разлика, PWM базирани LED димери не променяйте предния ток на светодиода, ако контролирате интензитета, като променяте скоростта на включване / изключване на светодиодите. След това средният светодиоден ток за включване решава пропорционалната яркост на светодиода. Нарича се още работен цикъл (съотношението на широчината на импулса през импулсния интервал на ШИМ). Чрез ШИМ, по-високият работен цикъл води до по-висок среден ток през светодиода, което води до по-висока яркост и обратно.

Поради факта, че можете фино да настроите работния цикъл в различни диапазони на осветеност, ШИМ затъмняването помага да се постигне много по-широко съотношение на затъмняване в сравнение с аналоговото затъмняване.

Въпреки че PWM гарантира подобрен изход за контрол на яркостта, това изисква повече анализ на дизайна. Честотата на ШИМ трябва да бъде много по-висока от това, което нашето зрение може да възприеме, в противен случай светодиодите може да се появят като трептене. Освен това, ШИМ димерните вериги са известни с генерирането на електромагнитни смущения (EMI).

Смущения от LED драйвери

Автомобилна LED драйверна схема, изградена с неадекватен EMI контрол, може да повлияе неблагоприятно на други съседни електронни софтуери, като генериране на бръмчене на шум в радио или подобно чувствително аудио оборудване.

Светодиодните интегрални схеми на LED със сигурност могат да ви предоставят както аналогови, така и PWM функции за затъмняване, заедно с допълнителни функции за справяне с EMI, като програмируема скорост на нарастване или фазово изместване на изходния канал или групово закъснение.

LED диагностика и докладване на грешки

Диагностиката на LED, която включва прегряване, късо съединение или отворена верига, е популярна предпоставка за проектиране, особено когато приложението изисква многократна LED работа. Минимизирайки риска от неизправност на светодиодите, светодиодните драйвери разполагат с регулиран изходен ток с по-голяма прецизност, отколкото дискретните драйвери, базирани на транзистори.

Наред с това, драйверите за интегрална схема допълнително включват защита от прекомерна температура, за да осигурят по-висока продължителност на експлоатационния живот на светодиодите и самата верига на драйвера.

LED драйверите, предназначени за автомобили, трябва да бъдат оборудвани за откриване на грешки, например LED отворен или късо съединение. Няколко приложения може също да изискват последващи мерки за противодействие на открита грешка.

Като пример, модул за задно осветление на автомобила включва редица низове от светодиоди за осветяване на задни светлини и стоп светлини. В случай, че в един от светодиодните низове бъде открита повредена светодиодна неизправност, тогава веригата трябва да може да изключи целия набор от светодиоди, за да се гарантира, че могат да се избегнат допълнителни повреди на останалите светодиоди.

Действието също би предупредило потребителя относно нестандартния влошен светодиоден модул, който трябва да бъде деинсталиран и изпратен за поддръжка на производителя.

Модули за управление на тялото (BCM)

За да можете да предоставите диагностичен сигнал на потребителя на автомобила, интелигентен превключвател от високата страна в модул за управление на тялото (BCM) регистрира повреда чрез елемента на задното осветление, както е показано на горната фигура 12.

Като каза това, идентифицирането на LED неизправност чрез BCM може да бъде сложно. Понякога можете да използвате един и същ дизайн на платката BCM, за да откриете стандартна схема, базирана на крушка с нажежаема жичка или система, базирана на LED, тъй като LED токът има тенденция да бъде значително по-малък за разлика от консумацията на крушка с нажежаема жичка, като се прави разлика между логическо натоварване на LED.

Заключение

Отворен или изключен товар може да бъде трудно да се идентифицира, ако текущата сензорна диагностика не е проектирана точно. Вместо да има отделен отворен низ от светодиоди, изключването на целия низ от низове от светодиоди става по-лесно откриваемо за BCM за докладване на отворена ситуация на натоварване. Условие, което гарантира, че ако One-LED-отказ, тогава All-LED-отказ критерий може да бъде изпълнен, за да изключи всички светодиоди при откриване на една LED неизправност. Автомобилните линейни светодиодни драйвери включват функцията, която позволява реакция на един неуспех-всички-неуспех и могат да идентифицират обща шина за грешки в множество конфигурации на интегрални схеми.