Automobilové LED budiace obvody - analýza návrhu

V automobiloch alebo automobiloch sa LED stali obľúbenou voľbou osvetlenia. Či už sú to zadné koncové svetlá alebo kontrolky v združenom paneli, ako je to znázornené na obrázku 1 nižšie, všetky majú v súčasnosti LED diódy. Ich kompaktné rozmery pomáhajú všestrannosti v dizajne a ponúkajú nádej, že budú rovnako odolné ako samotná dĺžka života vozidla.

Postava 1

Na druhej strane, aj keď sú LED veľmi efektívne zariadenia, sú náchylné na zhoršenie v dôsledku neregulovaných parametrov napätia, prúdu a teploty, najmä v náročnom automobilovom ekosystéme.

Aby bolo možné zvýšiť účinnosť a stálosť LED svetla, Návrh obvodu budiča LED vyžaduje opatrnú analýzu.

Elektronické obvody, ktoré sa používajú ako budiče LED, zásadne využívajú tranzistory. Jednou štandardnou topológiou obvodov, ktorá sa často používa v budičoch LED, je lineárna topológia, kde je tranzistor navrhnutý tak, aby pracoval vo vnútri lineárnej oblasti.

Táto topológia nám dáva možnosť robiť budiace obvody iba cez tranzistory alebo pomocou špecializovaných integrovaných obvodov so zabudovanými tranzistormi a ďalšími funkciami vylepšenia LED.

V diskrétnych aplikáciách bývajú obľúbenými bipolárne tranzistory (BJT), ktoré sú vysoko dostupnými komoditnými produktmi.

Napriek skutočnosti, že konfigurácia BJT je z hľadiska obvodu jednoduchá, je možné nájsť hlavné komplikácie pri vytváraní celkového riešenia ovládača LED, ktoré spĺňa aktuálnu presnosť riadenia, rozmer PCB, správu tepla a diagnostiku porúch, čo je niekoľko dôležitých predpokladov v celom rozsahu. celý pracovný rozsah napájacieho napätia a teploty.

Ďalej, keďže množstvo LED sa zvyšuje , návrh obvodu pomocou diskrétnych stupňov BJT je ešte sofistikovanejší.

V porovnaní s diskrétnymi časťami sa nanáša Alternatívy založené na IC sa javia ako pohodlnejšie z hľadiska usporiadania obvodov, ale navyše z hľadiska návrhu a hodnotiacich postupov.

Okrem toho môže byť všeobecný liek možno ešte dostupnejší.

Parametre pre navrhovanie automobilových LED ovládačov

Preto pri navrhovaní obvodov budiča LED pre automobilové osvetlenie Pri aplikácii je nevyhnutné uvažovať o ohniskových bodoch LED, vyhodnotiť alternatívy návrhu obvodov a faktory v systémových požiadavkách.

LED je vlastne prechodová dióda typu P (PN) typu P, ktorá umožňuje, aby ňou prúd prechádzal iba jedným smerom. Prúd začne tiecť, akonáhle napätie na LED dióde dosiahne minimálne dopredné napätie (VF).

Úroveň osvetlenia alebo jas LED diódy je určená priamym prúdom (IF), zatiaľ čo množstvo prúdu, ktoré LED spotrebuje, závisí od napätia privedeného na LED.

Aj keď jas LED a dopredný prúd IF sú lineárne spojené, dokonca aj mierne zvýšenie dopredného napätia VF cez LED môže spustiť rýchle zvýšenie príjmu prúdu LED.

LED diódy s rôznymi farebnými špecifikáciami majú odlišné špecifikácie VF a IF kvôli svojim špecifickým polovodičovým zložkám (obrázok 2). Je potrebné vziať do úvahy technické parametre každej LED diódy, najmä pri použití rôzne farebných LED diód v jednom obvode.

Obrázok č

Napríklad pri vývoji s červeno-zeleno-modré (RGB) osvetlenie , červená LED môže mať predpäté napätie približne 2 V, zatiaľ čo to isté pre modrú a zelenú LED môže byť približne 3 až 4 V.

Ak vezmeme do úvahy, že tieto LED kontrolujete z jedného spoločného zdroja napätia, možno budete potrebovať dobre vypočítaný údaj rezistor obmedzujúci prúd pre každú z farebných LED diód, aby nedošlo k ich znehodnoteniu.

Tepelná a energetická účinnosť

Okrem parametrov napájacieho napätia a prúdu si vyžaduje starostlivú analýzu aj teplota a energetická účinnosť. Aj keď sa väčšina prúdu aplikovaného na LED premení na svetlo LED, malé množstvo energie sa zmení na teplo v rámci PN spojenia zariadenia.

Teplota generovaná na križovatke LED môže byť vážne ovplyvnená niekoľkými externými parametrami, ako napríklad:

• atmosférickou teplotou (TA),
• tepelným odporom medzi križovatkou LED a okolitým vzduchom (RθJA),
• a stratou výkonu (PD).

Nasledujúca rovnica 1 odhaľuje špecifikáciu PD rozptylu výkonu LED:

PD = VF × IF ------------ Rovnica č. 1

Pomocou vyššie uvedeného môžeme ďalej odvodiť nasledujúcu rovnicu, ktorá počíta teplotu spojenia (TJ) LED:

TJ = TA + RθJA × PD ---------- Rov. Č. 2

Je nevyhnutné určiť TJ nielen za normálnych pracovných podmienok, ale aj pri absolútnej maximálnej teplote okolia TA konštrukcie, s ohľadom na obavy z najhoršieho scenára.

So zvyšujúcou sa teplotou spoja LED TJ sa zhoršuje jej účinnosť práce. Prúdový prúd LED diódy LED a teplota spoja TJ musia zostať pod svojimi absolútnymi maximálnymi hodnotami klasifikovanými v údajových listoch, aby boli chránené pred zničením (obrázok 3).

Obrázok č

Okrem LED diód by ste mali brať do úvahy aj energetickú účinnosť rezistorov a budiacich prvkov, ako sú BJT a operačné zosilňovače (operačné zosilňovače), najmä keď sa zvyšuje počet samostatných komponentov.

Nedostatočná energetická účinnosť stupňov budiča, doby zapnutia LED a / alebo okolitej teploty, všetky tieto faktory môžu viesť k zvýšeniu teploty zariadenia, ovplyvneniu prúdového výstupu vodiča BJT a zníženiu poklesu VF LED .

Pretože nárast teploty znižuje pokles napätia LED vpred, zvyšuje sa prúdová spotreba LED, čo vedie k úmerne zvýšenému rozptylu výkonu PD a teploty, čo spôsobuje ďalšie znižovanie poklesu napätia VF vpred.

Tento cyklus nepretržitého zvyšovania teploty, ktorý sa označuje aj ako „tepelný únik“, núti LED diódy pracovať nad optimálnou prevádzkovou teplotou, čo spôsobuje rýchlu degradáciu a v určitom okamihu zlyhanie zariadenia z dôvodu zvýšenej úrovne spotreby IF. .

Lineárne LED ovládače

Prevádzka LED diód lineárne cez tranzistory alebo integrované obvody je skutočne celkom pohodlná. Zo všetkých možností je najjednoduchším prístupom k ovládaniu LED zvyčajne jeho pripojenie priamo k zdroju napájacieho napätia (VS).

Správny rezistor na obmedzenie prúdu obmedzuje prúdový odber zariadenia a zaisťuje presný pokles napätia pre LED. Na výpočet hodnoty sériového odporu (RS) je možné použiť nasledujúcu rovnicu 3:

RS = VS - VF / IF ---------- Rovnica č. 3

S odkazom na obrázok č. 4 vidíme, že sa 3 LED používajú sériovo, pri výpočte VF by sa mal brať do úvahy celý pokles napätia VF na 3 LED (LED dopredný prúd IF zostáva konštantný.)

Obrázok č

Aj keď to môže byť najjednoduchšia konfigurácia ovládača LED, môže byť v praktickej implementácii dosť nepraktická.

Zdroje napájania, najmä automobilové batérie, sú citlivé na kolísanie napätia.

Menšie zvýšenie napájacieho vstupu spôsobí, že LED odoberie väčšie množstvo prúdu a následne sa zničí.

Ďalej nadmerný stratový výkon PD v rezistore zvyšuje teplotu zariadenia, čo môže viesť k tepelnému úniku.

Diskrétne budiče s konštantným prúdom LED pre automobilové aplikácie

Keď sa použije funkcia s konštantným prúdom, zaistí vylepšené energeticky efektívne a spoľahlivé rozloženie. Pretože najbežnejšou technikou na prevádzku LED je prepínanie zapínania a vypínania, umožňuje tranzistor dobre regulované napájanie prúdom.

Obrázok č. 5

Podľa obrázku 5 vyššie je možné zvoliť buď BJT, alebo MOSFET na základe špecifikácií napätia a prúdu konfigurácie LED. Tranzistory ľahko zvládajú väčší výkon v porovnaní s rezistorom, sú však citlivé na vzostupy a poklesy napätia a zmeny teploty. Napríklad, keď stúpa napätie v okolí BJT, proporčne sa zvyšuje aj jeho prúd.

Aby bola zaručená ďalšia stabilita, je možné tieto obvody BJT alebo MOSFET prispôsobiť tak, aby dodávali konštantný prúd napriek nerovnováhe napájacieho napätia.

Navrhovanie zdroja prúdu LED

Obrázky 6 až 8 demonštrujú niekoľko ilustrácií obvodu zdroja prúdu.

Na obrázku 6 generuje Zenerova dióda stabilné výstupné napätie do základne tranzistora.

Rezistor obmedzujúci prúd RZ zaisťuje riadený prúd, ktorý umožňuje správnu prácu Zenerovej diódy.

Výstup Zenerovej diódy produkuje konštantné napätie napriek kolísaniu napájacieho napätia.

Pokles napätia nad odporom emitora RE by mal dopĺňať pokles napätia Zenerovej diódy, preto tranzistor upravuje kolektorový prúd, ktorý zaisťuje, že prúd cez LED vždy zostáva konštantný.

Používanie spätnej väzby od operačného zosilňovača

Na obrázku 7 nižšie je znázornený obvod operačného zosilňovača so spätnoväzbovou slučkou na vytvorenie ideálneho obvodu radiča automobilovej LED. Spätnoväzbové pripojenie zaisťuje, že sa výstup automaticky upraví tak, aby potenciál vyvinutý pri jeho zápornom vstupe zostal rovnaký ako jeho kladný referenčný vstup.

Zenerova dióda je upnutá na generovanie referenčného napätia na neinvertujúcom vstupe operačného zosilňovača. V prípade, že prúd LED prekročí vopred stanovenú hodnotu, vyvíja úmerné množstvo napätia cez snímací odpor RS, ktorý sa pokúša prekročiť zenerovu referenčnú hodnotu.

Pretože to spôsobí, že napätie na zápornom invertujúcom vstupe operačného zosilňovača prekročí kladnú referenčnú hodnotu zenerovej hodnoty, vynúti výstup operačného zosilňovača do polohy OFF, čo následne zníži prúd LED a tiež napätie na RS.

Táto situácia opäť vráti výstup operačného zosilňovača na stav ZAPNUTÉ a aktivuje LED. Táto samonastavovacia činnosť operačného zosilňovača pokračuje nekonečne a zaisťuje, aby prúd LED nikdy nepresiahol vypočítanú nebezpečnú úroveň.

Obrázok 8 vyššie ilustruje ešte jeden návrh založený na spätnej väzbe uskutočnený pomocou niekoľkých BJT. Prúd tu prúdi pomocou R1 a zapína tranzistor Q1. Prúd pokračuje v jazde cez R2, ktorá fixuje správne množstvo prúdu cez LED diódy.

V prípade, že sa tento prúd LED cez R2 pokúsi prekročiť vopred stanovenú hodnotu, úmerne sa zvýši aj pokles napätia na R2. V okamihu, keď tento pokles napätia stúpne až k napätiu báza-emitor (Vbe) tranzistora Q2, začne sa Q2 zapínať.

Po zapnutí Q2 teraz začne odoberať prúd cez R1, čo núti Q1, aby sa začalo vypínať, a stav si sám nastavuje prúd cez LED, aby zabezpečil, že prúd LED nikdy neprekročí nebezpečnú úroveň.

Toto tranzistorový obmedzovač prúdu so spätnoväzbovou slučkou zaručuje konštantné napájanie LED diódami podľa vypočítanej hodnoty R2. Vo vyššie uvedenom príklade sú implementované BJT, ale napriek tomu je tiež možné použiť MOSFET v tomto obvode pre aplikácie s vyšším prúdom.

Budiče LED s konštantným prúdom využívajúce integrované obvody

Tieto základné stavebné bloky založené na tranzistoroch je možné ľahko replikovať tak, aby fungovali s niekoľkými reťazcami LED, ako je to znázornené na obrázku 9.

Ovládanie skupiny LED šnúrky rýchlo spôsobí zvýšenie počtu komponentov, zaberie viac miesta na PCB a spotrebuje väčšie množstvo pinov na všeobecné účely vstupu / výstupu (GPIO).

Takéto návrhy navyše v zásade neobsahujú reguláciu jasu a diagnostiku porúch, čo je nevyhnutné pre väčšinu aplikácií s LED napájaním.

Zahrnutie špecifikácií, ako je regulácia jasu a diagnostika porúch, si vyžaduje ďalší počet samostatných komponentov a pridané postupy analýzy návrhu.

LED vzory, ktoré zahŕňajú vyšší počet LED , spôsobí, že návrhy diskrétnych obvodov budú obsahovať vyšší počet častí, čo zvyšuje zložitosť obvodu.

S cieľom zefektívniť proces návrhu sa považuje za najefektívnejšie uplatniť postup špecializované integrované obvody, ktoré fungujú ako ovládače LED . Mnoho samostatných komponentov, ako je to znázornené na obrázku 9, je možné uľahčiť pomocou ovládača LED založeného na IC, ako je to znázornené na obrázku 10.

Obrázok č. 10

Integrované obvody ovládačov LED sú špeciálne navrhnuté na riešenie kritických parametrov napätia, prúdu a teploty LED diód a tiež na minimalizáciu počtu dielov a rozmerov dosky.

Integrované obvody ovládačov LED môžu mať navyše ďalšie funkcie na reguláciu jasu a diagnostiku vrátane ochrany proti prehriatiu. To znamená, že je možné dosiahnuť vyššie uvedené pokročilé funkcie aj pomocou diskrétnych návrhov založených na BJT, ale integrované obvody sa zdajú byť porovnateľne ľahšou alternatívou.

Výzvy v automobilových aplikáciách LED

V mnohých implementáciách automobilových LED je regulácia jasu nevyhnutnou nutnosťou.

Pretože úpravou dopredného prúdu IF pomocou LED sa proporcionálne upravuje úroveň jasu, je možné na dosiahnutie výsledkov použiť analógové prevedenie. Digitálna metóda regulácie jasu LED je pomocou PWM alebo pulznej šírkovej modulácie. Nasledujúce podrobnosti analyzujú tieto dva koncepty a ukazujú, ako ich možno aplikovať na automobilové LED aplikácie

Rozdiel medzi analógovým a PWM ovládaním jasu LED

Obrázok 11 hodnotí hlavný rozdiel medzi analógovými a digitálnymi metódami riadenia jasu LED.

Obrázok č. 11

Použitím analógovej regulácie jasu LED sa osvetlenie LED mení o veľkosť prúdiaceho prúdu, väčší prúd vedie k zvýšenému jasu a naopak.

Kvalita analógového stmievania alebo regulácie jasu však nie je uspokojivá, najmä pri nižších rozsahoch jasu. Analógové stmievanie zvyčajne nie je vhodné pre aplikácie LED závislé od farieb, ako napríklad RGB osvetlenie alebo indikátory stavu, pretože zmena IF má tendenciu ovplyvňovať farebný výstup LED, čo spôsobuje zlé farebné rozlíšenie od RGB LED.

Naproti tomu Stmievače LED na báze PWM nemeňte predný prúd LED IF, skôr kontrolujte intenzitu zmenou rýchlosti zapínania a vypínania LED diód. Potom priemerný prúd LED doby zapnutia rozhodne o proporcionálnom jase LED. Nazýva sa tiež pracovný cyklus (pomer šírky impulzu k intervalu impulzov PWM). Vďaka PWM má vyšší pracovný cyklus za následok vyšší priemerný prúd cez LED, ktorý spôsobuje vyšší jas a naopak.

Vďaka tomu, že ste schopní jemne doladiť pracovný cyklus na rôzne rozsahy osvetlenia, pomáha stmievanie PWM dosiahnuť oveľa širší pomer stmievania v porovnaní s analógovým stmievaním.

Aj keď PWM zaručuje vylepšený výstup regulácie jasu, vyžaduje si ďalšiu analýzu návrhu. Frekvencia PWM musí byť oveľa vyššia ako to, čo dokáže vnímať naša vízia, inak sa LED diódy môžu javiť ako blikajúce. Okrem toho sú obvody stmievača PWM notoricky známe pre vytváranie elektromagnetického rušenia (EMI).

Rušenie ovládačov LED

Automobilový obvod ovládača LED vyrobený s nedostatočnou reguláciou EMI môže nepriaznivo ovplyvniť ďalší susedný elektronický softvér, napríklad generovanie bzučivého zvuku v rádiu alebo v podobných citlivých zvukových zariadeniach.

Integrované obvody ovládačov LED vám určite môžu poskytnúť analógové aj stmievanie PWM spolu s doplnkovými funkciami na zvládnutie EMI, ako je programovateľná rýchlosť záchytu alebo fázový posun výstupného kanála alebo skupinové oneskorenie.

LED diagnostika a hlásenie porúch

Diagnostika LED, ktorá zahrnuje prehriatie, skrat alebo otvorený obvod, sú populárnym predpokladom návrhu, najmä ak aplikácia vyžaduje viacnásobnú prevádzku LED. Meniče LED minimalizujú riziko poruchy LED a vyznačujú sa regulovaným výstupným prúdom s vyššou presnosťou ako tranzistorové diskrétne ovládače.

Spolu s tým integrované ovládače IC navyše obsahujú ochranu proti prehriatiu, aby sa zabezpečila vyššia predpokladaná životnosť LED a samotného obvodu budiča.

Ovládače LED určené pre automobily musia byť vybavené tak, aby detekovali chyby, napríklad prerušenie LED alebo skrat. Niektoré aplikácie môžu tiež vyžadovať následné opatrenia na potlačenie zistenej chyby.

Napríklad modul zadného svetla automobilu obsahuje množstvo reťazcov LED diód na osvetlenie koncových a brzdových svetiel. V prípade, že je v jednom z reťazcov LED zistená porucha LED, musí byť obvod schopný vypnúť celú škálu LED, aby sa zabránilo ďalšiemu poškodeniu zostávajúcich LED.

Akcia tiež upozorní používateľa na neštandardne pokazený LED modul, ktorý je potrebné odinštalovať a zaslať na údržbu výrobcovi.

Kontrolné moduly tela (BCM)

Aby bolo možné poskytnúť diagnostické varovanie používateľovi automobilu, inteligentný prepínač na vysokej strane v modul riadenia karosérie (BCM) zaregistruje poruchu cez prvok zadného svetla, ako je to znázornené na obrázku 12 vyššie.

Z uvedeného vyplýva, že identifikácia poruchy LED prostredníctvom modulu BCM môže byť komplikovaná. Príležitostne môžete použiť rovnaký dizajn dosky BCM na detekciu štandardných obvodov založených na žiarovke alebo systému založeného na LED, pretože prúd LED býva podstatne menší na rozdiel od spotreby žiarovky, čo rozlišuje logické zaťaženie LED.

Záver

Otvorené alebo odpojené zaťaženie by mohlo byť ťažké identifikovať, ak diagnostika snímania prúdu nie je navrhnutá presne. Namiesto samostatného otvoreného reťazca LED je vypnutie celého reťazca reťazcov LED ľahšie detekovateľné pre BCM pre hlásenie situácie otvoreného zaťaženia. Stav, ktorý zaisťuje, že ak dôjde k poruche jednej LED, potom je možné vykonať kritérium zlyhania All-LED, ktoré vypne všetky LED pri detekcii jednej poruchy LED. Automobilové lineárne budiče LED obsahujú funkciu, ktorá umožňuje reakciu typu „zlyhaj - všetci - zlyhaj“ a dokáže identifikovať spoločnú chybovú zbernicu v rámci viacerých konfigurácií integrovaných obvodov.