Circuiti driver LED automobilistici - Analisi del progetto

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Nelle automobili o nelle automobili, i LED sono diventati la scelta di illuminazione preferita. Che si tratti delle luci posteriori posteriori o degli indicatori di direzione nel quadro strumenti come indicato nella Figura 1 di seguito, oggigiorno tutti incorporano LED. Le loro dimensioni compatte aiutano la versatilità nel design e offrono la prospettiva di essere durevoli quanto l'aspettativa di vita del veicolo stesso.

Figura 1



D'altra parte, anche se i LED sono dispositivi altamente efficienti, sono vulnerabili al deterioramento dovuto a parametri di tensione, corrente e temperatura non regolati, in particolare nel duro ecosistema automobilistico.

Per essere in grado di migliorare l'efficienza e la permanenza della luce LED, Progettazione del circuito del driver LED richiede un'analisi cauta.



I circuiti elettronici applicati come driver LED utilizzano fondamentalmente i transistor. Una topologia di circuito standard utilizzata frequentemente nei driver LED è la topologia lineare, in cui il transistor è progettato per funzionare all'interno della regione lineare.

Questa topologia ci dà la possibilità di fare circuiti di pilotaggio solo tramite transistor o utilizzando circuiti integrati specializzati con transistor integrati e funzionalità di miglioramento LED aggiuntive.

Nelle applicazioni discrete, i transistor bipolari a giunzione (BJT), che sono prodotti di base altamente accessibili, tendono ad essere i preferiti.

Nonostante il fatto che i BJT siano semplici da configurare dal punto di vista del circuito, è possibile trovare maggiori complicazioni durante la creazione di una soluzione di driver LED totale che soddisfi la precisione del controllo corrente, le dimensioni del PCB, la gestione del calore e la diagnosi dei guasti, che sono alcuni prerequisiti importanti in tutto l'intera tensione di alimentazione di lavoro e l'intervallo di temperatura.

Inoltre, poiché il la quantità di LED aumenta , la progettazione di circuiti che utilizza stadi BJT discreti diventa ancora più sofisticata.

Rispetto alle parti discrete, l'applicazione Alternative basate su CI sembrano essere più convenienti rispetto al layout del circuito, ma in aggiunta le procedure di progettazione e valutazione.

Oltre a ciò, il rimedio generale potrebbe forse essere ancora più conveniente.

Parametri per la progettazione di driver LED per autoveicoli

Pertanto, quando si progettano circuiti driver LED per un file illuminazione automobilistica applicazione, è essenziale considerare i punti focali dei LED, valutare le alternative di progettazione dei circuiti e i fattori nelle richieste del sistema.

Un LED è in realtà un diodo a giunzione di tipo N (PN) di tipo P che consente alla corrente di spostarsi attraverso di esso solo in una singola direzione. La corrente inizia a fluire non appena la tensione attraverso il LED raggiunge la tensione diretta minima (VF).

Il livello di illuminazione o luminosità di un LED è determinato dalla corrente diretta (IF) mentre la quantità di corrente consumata da un LED dipende dalla tensione applicata ai capi del LED.

Anche se la luminosità del LED e la corrente diretta IF sono correlate linearmente, anche un leggero aumento della tensione diretta VF attraverso il LED può innescare una rapida escalation nell'assorbimento di corrente del LED.

I LED con specifiche di colore diverse hanno specifiche VF e IF diverse a causa dei loro componenti semiconduttori specifici (Figura 2). È necessario considerare le specifiche della scheda tecnica di ciascun LED, in particolare durante l'applicazione di LED di colore diverso all'interno di un singolo circuito.

Figura 2

Ad esempio, quando si sviluppa con illuminazione rosso-verde-blu (RGB) , un LED rosso può avere una tensione nominale diretta di circa 2 V, mentre lo stesso per un LED blu e verde potrebbe essere compreso tra 3 e 4 V.

Considerando che stai azionando questi LED da un unico voltaggio comune, potresti aver bisogno di un ben calcolato resistenza limitatrice di corrente per ciascuno dei LED colorati, per evitare il deterioramento del LED.

Efficienza termica e energetica

Oltre alla tensione di alimentazione e ai parametri di corrente, anche la temperatura e l'efficienza energetica richiedono un'attenta analisi. Sebbene la maggior parte della corrente applicata a un LED venga convertita in luce LED, una piccola quantità di energia viene trasformata in calore all'interno della giunzione PN del dispositivo.

La temperatura generata attraverso una giunzione LED potrebbe essere seriamente influenzata da alcuni parametri esterni come:

  • dalla temperatura atmosferica (TA),
  • dalla resistenza termica tra la giunzione del LED e l'aria ambiente (RθJA),
  • e dalla potenza dissipata (PD).

La seguente equazione 1 rivela la specifica PD di dissipazione di potenza di un LED:

PD = VF × IF ------------ Eq # 1

Con l'aiuto di quanto sopra, possiamo ulteriormente derivare la seguente equazione che calcola la temperatura di giunzione (TJ) di un LED:

TJ = TA + RθJA × PD ---------- Eq # 2

È essenziale determinare il TJ non solo in condizioni di lavoro normali, ma anche a una temperatura ambiente massima assoluta TA del progetto, per quanto riguarda i problemi dello scenario peggiore.

All'aumentare della temperatura di giunzione del LED TJ, la sua efficienza di lavoro si deteriora. La corrente diretta IF di un LED e la temperatura di giunzione TJ devono rimanere al di sotto dei valori nominali massimi assoluti, come classificato dalle schede tecniche, in modo da proteggerlo dalla distruzione (Figura 3).

Figura n. 3

Oltre ai LED, è necessario tenere in considerazione anche l'efficienza energetica dei resistori e degli elementi di pilotaggio come i BJT e gli amplificatori operazionali (amplificatori operazionali), in particolare all'aumentare della quantità di componenti discreti.

Un'inadeguata efficienza energetica degli stadi del driver, il periodo di accensione dei LED e / o la temperatura ambiente, tutti questi fattori possono portare a un aumento della temperatura del dispositivo, influenzando l'uscita di corrente del driver BJT e riducendo la caduta VF dei LED .

Poiché l'aumento della temperatura riduce la caduta di tensione diretta dei LED, il tasso di consumo di corrente del LED aumenta portando a una dissipazione di potenza proporzionalmente maggiore PD e temperatura, e questo provoca un'ulteriore riduzione della caduta di tensione diretta del LED VF.

Questo ciclo di aumento continuo della temperatura, noto anche come 'fuga termica', costringe i LED a funzionare al di sopra della loro temperatura operativa ottimale, provocando un rapido degrado e, a un certo punto, il guasto del dispositivo, a causa di un aumento del livello di consumo IF .

Driver LED lineari

Il funzionamento lineare dei LED attraverso transistor o circuiti integrati è in realtà abbastanza conveniente. Di tutte le possibilità, l'approccio più semplice per controllare un LED è solitamente quello di collegarlo direttamente attraverso la sorgente di tensione di alimentazione (VS).

Avere il giusto resistore di limitazione della corrente limita l'assorbimento di corrente del dispositivo e fissa una caduta di tensione accurata per il LED. La seguente equazione 3 può essere utilizzata per calcolare il valore del resistore in serie (RS):

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

Facendo riferimento alla Figura # 4 vediamo che 3 LED sono usati in serie, l'intera caduta di tensione VF sui 3 LED dovrebbe essere presa in considerazione dal calcolo VF (la corrente diretta IF del LED rimane costante).

Figura n. 4

Sebbene questa possa essere la configurazione più semplice del driver LED, potrebbe essere abbastanza poco pratica in un'implementazione nella vita reale.

Gli alimentatori, in particolare le batterie per automobili, sono suscettibili alle fluttuazioni di tensione.

Un lieve aumento dell'ingresso di alimentazione fa sì che il LED assorba quantità maggiori di corrente e di conseguenza viene distrutto.

Inoltre, un'eccessiva dissipazione di potenza PD nel resistore aumenta la temperatura del dispositivo, il che può dar luogo a instabilità termica.

Driver LED a corrente costante discreti per applicazioni automobilistiche

Quando viene utilizzata una funzione di corrente costante, garantisce un layout affidabile ed efficiente dal punto di vista energetico. Poiché la tecnica più diffusa per azionare un LED è attraverso un'accensione e uno spegnimento, un transistor consente un'alimentazione di corrente ben regolata.

Figura # 5

Facendo riferimento alla Figura 5 sopra, potrebbe essere possibile scegliere un BJT o un MOSFET, in base alle specifiche di tensione e corrente della configurazione LED. I transistor gestiscono facilmente una potenza maggiore rispetto a un resistore, ma sono suscettibili agli alti e bassi di tensione e alle variazioni di temperatura. Ad esempio, quando la tensione attorno a un BJT aumenta, anche la sua corrente aumenta proporzionalmente.

Per garantire ulteriore stabilità, è possibile personalizzare questi circuiti BJT o MOSFET per fornire corrente costante nonostante gli squilibri nella tensione di alimentazione.

Progettazione della sorgente di corrente LED

Le figure da 6 a 8 mostrano una manciata di illustrazioni del circuito sorgente di corrente.

Nella Figura 6, un diodo Zener genera una tensione di uscita stabile alla base del transistor.

Il resistore di limitazione della corrente RZ garantisce una corrente controllata per consentire al diodo Zener di funzionare correttamente.

L'uscita del diodo Zener produce una tensione costante nonostante le fluttuazioni della tensione di alimentazione.

La caduta di tensione sul resistore di emettitore RE dovrebbe integrare la caduta di tensione del diodo Zener, quindi il transistor regola la corrente del collettore che assicura che la corrente attraverso i LED rimanga sempre costante.

Utilizzo di un feedback amplificatore operazionale

Nella Figura 7 di seguito, viene mostrato un circuito amplificatore operazionale con un loop di feedback per creare un circuito controller LED automobilistico ideale. La connessione di feedback assicura che l'uscita venga regolata automaticamente in modo che il potenziale sviluppato al suo ingresso negativo rimanga uguale al suo ingresso di riferimento positivo.

Un diodo Zener è bloccato per generare una tensione di riferimento all'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale. Nel caso in cui la corrente del LED superi un valore predeterminato, sviluppa una quantità proporzionale di tensione attraverso il resistore di rilevamento RS, che cerca di superare il valore di riferimento zener.

Poiché ciò fa sì che la tensione sull'ingresso invertente negativo dell'amplificatore operazionale superi il valore zener di riferimento positivo, forza l'uscita dell'amplificatore operazionale a spegnersi, il che a sua volta riduce la corrente del LED e anche la tensione su RS.

Questa situazione ripristina nuovamente l'uscita dell'amplificatore operazionale allo stato ON e attiva il LED, e questa azione di autoregolazione dell'amplificatore operazionale continua all'infinito assicurando che la corrente del LED non superi mai il livello pericoloso calcolato.

La figura 8 sopra illustra un altro progetto basato sul feedback realizzato utilizzando un paio di BJT. Qui la corrente scorre per mezzo di R1, accendendo il transistor Q1. La corrente continua a viaggiare tramite R2, che fissa la corretta quantità di corrente attraverso i LED.

Nel caso in cui la corrente del LED attraverso R2 cerchi di superare il valore predeterminato, anche la caduta di tensione su R2 aumenta proporzionalmente. Nel momento in cui questa caduta di tensione sale fino alla tensione base-emettitore (Vbe) del transistor Q2, Q2 inizia ad accendersi.

Essendo acceso, Q2 ora inizia ad assorbire corrente attraverso R1, costringendo Q1 a spegnersi e la condizione continua ad autoregolare la corrente attraverso il LED assicurando che la corrente del LED non vada mai oltre il livello pericoloso.

Questo limitatore di corrente transistorizzato con feedback loop garantisce un'alimentazione di corrente costante ai LED secondo il valore calcolato di R2. Nell'esempio sopra sono implementati BJT, ma è anche possibile utilizzare MOSFET in questo circuito, per applicazioni a corrente più elevata.

Driver LED a corrente costante che utilizzano circuiti integrati

Questi elementi costitutivi essenziali basati su transistor, potrebbero essere facilmente replicati per far funzionare diverse stringhe di LED, come mostrato nella Figura 9.

Controllo di un gruppo di Stringhe di LED fa aumentare rapidamente il numero di componenti, occupando uno spazio PCB maggiore e consumando un numero maggiore di pin di input / output (GPIO) per uso generico.

Inoltre, tali progetti sono fondamentalmente privi di controllo della luminosità e considerazioni sulla diagnostica dei guasti, che sono esigenze essenziali per la maggior parte delle applicazioni LED di potenza.

L'inclusione di specifiche come il controllo della luminosità e la diagnostica dei guasti richiede un numero aggiuntivo di componenti discreti e procedure di analisi del progetto aggiuntive.

Design LED che includono maggior numero di LED , fa sì che i progetti di circuiti discreti includano un numero maggiore di parti, aumentando la complessità del circuito.

Al fine di snellire il processo di progettazione, è considerato più efficace applicarlo circuiti integrati specializzati per funzionare come driver LED . Molti dei componenti discreti, come indicato nella Figura 9, potrebbero essere semplificati con un driver LED basato su IC come mostrato nella Figura 10.

Figura # 10

I circuiti integrati per driver LED sono progettati appositamente per affrontare le specifiche critiche di tensione, corrente e temperatura dei LED e anche per ridurre al minimo il conteggio delle parti e le dimensioni della scheda.

Inoltre, i circuiti integrati del driver LED possono avere funzionalità aggiuntive per il controllo della luminosità e la diagnostica, inclusa la protezione da sovratemperatura. Detto questo, potrebbe essere possibile ottenere le funzionalità avanzate di cui sopra utilizzando anche progetti basati su BJT discreti, ma i circuiti integrati sembrano essere un'alternativa più semplice, in confronto.

Sfide nelle applicazioni LED automobilistiche

In molte implementazioni LED automobilistiche, il controllo della luminosità diventa una necessità essenziale.

Poiché la regolazione della corrente diretta IF tramite il LED regola il livello di luminosità in modo proporzionale, è possibile utilizzare modelli analogici per ottenere i risultati. Un metodo digitale di controllo della luminosità dei LED è tramite PWM o modulazione di larghezza di impulso. I dettagli seguenti analizzano i due concetti e mostrano come possono essere applicati per applicazioni LED per autoveicoli

Differenza tra controllo della luminosità LED analogico e PWM

La Figura 11 valuta la principale differenza tra i metodi analogici e digitali per controllare la luminosità dei LED.

Figura # 11

Utilizzando il controllo della luminosità del LED analogico, l'illuminazione del LED viene alterata in base all'ampiezza della corrente che scorre, una corrente maggiore si traduce in una maggiore luminosità e viceversa.

Tuttavia, la qualità dell'oscuramento analogico o del controllo della luminosità non è soddisfacente, in particolare a intervalli di luminosità inferiori. L'oscuramento analogico di solito non è appropriato per applicazioni LED dipendenti dal colore, come l'illuminazione RGB o gli indicatori di stato poiché la variazione dell'IF tende a influenzare l'uscita del colore del LED, causando una scarsa risoluzione del colore dai LED RGB.

In contrasto, Dimmer LED basati su PWM non variare la corrente diretta del LED IF, ma controlla l'intensità variando la velocità di commutazione ON / OFF dei LED. Quindi, il tempo medio di accensione della corrente del LED decide la luminosità proporzionale sul LED. È anche chiamato duty cycle (il rapporto tra la larghezza dell'impulso sull'intervallo di impulso del PWM). Attraverso PWM, un ciclo di lavoro più elevato si traduce in una corrente media più elevata attraverso il LED che causa una maggiore luminosità e viceversa.

Dato che sei in grado di regolare con precisione il ciclo di lavoro su vari intervalli di illuminazione, la regolazione PWM aiuta a ottenere un rapporto di regolazione molto più ampio rispetto alla regolazione analogica.

Sebbene PWM garantisca un'uscita di controllo della luminosità migliorata, richiede più analisi di progettazione. La frequenza PWM deve essere molto più alta di quella che la nostra visione può percepire, altrimenti i LED potrebbero apparire come se stessero lampeggiando. Inoltre, i circuiti dimmer PWM sono noti per la generazione di interferenze elettromagnetiche (EMI).

Interferenza da driver LED

Un circuito driver LED automobilistico costruito con un controllo EMI inadeguato potrebbe influire negativamente su altri software elettronici vicini, come la generazione di ronzii nella radio o in apparecchiature audio sensibili simili.

I circuiti integrati per driver LED possono certamente fornire funzionalità di dimming sia analogiche che PWM insieme a funzioni supplementari per affrontare EMI, come velocità di variazione programmabile, sfasamento del canale di uscita o ritardo di gruppo.

Diagnostica LED e segnalazione guasti

La diagnostica LED che include surriscaldamento, cortocircuito o circuito aperto è un prerequisito di progettazione popolare, in particolare quando l'applicazione richiede il funzionamento di più LED. Riducendo al minimo il rischio di malfunzionamento dei LED, i driver LED presentano una corrente di uscita regolata con maggiore precisione rispetto alle topologie dei driver discreti basati su transistor.

Insieme a questo, i driver IC incorporano anche una protezione da sovratemperatura per garantire una maggiore durata operativa dei LED e del circuito di pilotaggio stesso.

I driver LED progettati per le automobili devono essere attrezzati per rilevare errori, ad esempio un LED aperto o in cortocircuito. Alcune applicazioni potrebbero anche richiedere misure di follow-up per contrastare un guasto rilevato.

Ad esempio, un modulo luci posteriori per auto include una serie di stringhe di LED per illuminare le luci posteriori e le luci dei freni. Nel caso in cui venga rilevato un guasto LED guasto in una delle stringhe LED, allora il circuito deve essere in grado di spegnere l'intera matrice di LED, in modo da garantire che si possano evitare ulteriori danni ai LED rimanenti.

L'azione avviserebbe anche l'utente riguardo al modulo LED degradato non standard che deve essere disinstallato e inviato per la manutenzione al produttore.

Moduli di controllo del corpo (BCM)

Per essere in grado di fornire un avviso diagnostico all'utente dell'auto, un interruttore intelligente sul lato alto in modulo di controllo del corpo (BCM) registra un guasto attraverso l'elemento del fanale posteriore come illustrato nella Figura 12 sopra.

Detto questo, l'identificazione di un guasto del LED tramite il BCM potrebbe essere complicata. Occasionalmente è possibile utilizzare lo stesso design della scheda BCM per rilevare un circuito basato su una lampadina a incandescenza standard o un sistema basato su LED perché la corrente dei LED tende ad essere sostanzialmente più piccola rispetto al consumo della lampadina a incandescenza, differenziando tra un carico logico di LED.

Conclusione

Un carico aperto o scollegato potrebbe essere difficile da identificare se la diagnostica del rilevamento della corrente non è progettata accuratamente. Invece di avere una singola stringa di LED aperta, lo spegnimento dell'intera stringa di stringhe di LED diventa più facilmente rilevabile per il BCM per segnalare una situazione di carico aperto. Una condizione che garantisce che in caso di guasto di un LED, il criterio di guasto di tutti i LED potrebbe essere eseguito per spegnere tutti i LED al rilevamento di un singolo guasto del LED. I driver LED lineari per autoveicoli includono la funzione che consente una reazione un errore-tutti-guasti e può identificare un bus di errore comune in più configurazioni di circuiti integrati.




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