Цепи драйверов светодиодов для автомобилей - Анализ конструкции

В автомобилях светодиоды стали предпочтительным выбором освещения. Будь то задние фонари или контрольные индикаторы в группе, как показано на рисунке 1 ниже, в настоящее время все они включают светодиоды. Их компактные размеры способствуют универсальности конструкции и обеспечивают такую ​​же долговечность, как и продолжительность жизни самого автомобиля.

Рисунок 1

С другой стороны, хотя светодиоды являются высокоэффективными устройствами, они уязвимы к ухудшению из-за нерегулируемых параметров напряжения, тока и температуры, особенно в суровых условиях автомобильной экосистемы.

Чтобы иметь возможность повысить эффективность и долговечность светодиодного освещения, Схема светодиодного драйвера требует осторожного анализа.

Электронные схемы, которые используются в качестве драйверов светодиодов, в основном используют транзисторы. Одной из стандартных топологий схемы, часто используемых в драйверах светодиодов, является линейная топология, при которой транзистор предназначен для работы внутри линейной области.

Эта топология дает нам возможность сделать схемы драйвера только на транзисторах или с использованием специализированных ИС со встроенными транзисторами и дополнительными функциями улучшения светодиодов.

В дискретных приложениях, как правило, фаворитом являются биполярные транзисторы с переходом (BJT), которые являются широко доступным товарным продуктом.

Несмотря на то, что BJT просты в настройке с точки зрения схемы, можно обнаружить серьезные сложности при создании полного решения светодиодного драйвера, которое обеспечивает точность управления током, размер печатной платы, управление нагревом и диагностику неисправностей, которые являются несколькими важными предпосылками во всем. весь рабочий диапазон напряжения питания и температур.

Кроме того, как количество светодиодов увеличивается , схемотехника с использованием дискретных каскадов BJT становится еще более сложной.

По сравнению с дискретными частями, применяя Альтернативы на базе IC кажутся более удобными с точки зрения схемотехники, но, кроме того, процедуры проектирования и оценки.

Кроме того, общее средство может быть даже более доступным.

Параметры для разработки автомобильных светодиодных драйверов

Поэтому при разработке схем светодиодных драйверов для автомобильное освещение В этом случае важно продумать фокусные точки светодиодов, оценить альтернативы схемотехники и факторы требований системы.

Светодиод на самом деле представляет собой переходной диод P-типа N (PN), который позволяет току проходить через него только в одном направлении. Ток начинает течь, как только напряжение на светодиоде достигает минимального прямого напряжения (VF).

Уровень освещения или яркость светодиода определяется прямым током (IF), в то время как ток, потребляемый светодиодом, зависит от напряжения, приложенного к светодиоду.

Несмотря на то, что яркость светодиода и прямой ток IF линейно связаны, даже небольшое увеличение прямого напряжения VF на светодиодах может вызвать быстрое увеличение потребления тока светодиода.

Светодиоды с разными цветовыми характеристиками имеют разные характеристики VF и IF из-за специфики полупроводниковых компонентов (рис. 2). Необходимо учитывать спецификации каждого светодиода, особенно при использовании светодиодов разных цветов в одной цепи.

Фигура 2

Например, при разработке с красно-зелено-синее (RGB) освещение , красный светодиод может иметь номинальное прямое напряжение около 2 В, в то время как то же самое для синего и зеленого светодиодов может составлять от 3 до 4 В.

Учитывая, что вы используете эти светодиоды от одного общего источника питания, вам может потребоваться хорошо рассчитанный токоограничивающий резистор для каждого из цветных светодиодов, чтобы избежать ухудшения состояния светодиода.

Тепловая и энергетическая эффективность

Помимо параметров напряжения и тока питания, тщательного анализа также требуют температурный и энергетический КПД. Хотя большая часть тока, подаваемого на светодиод, преобразуется в свет светодиода, небольшое количество энергии превращается в тепло в PN-переходе устройства.

На температуру, создаваемую на переходе светодиода, могут серьезно повлиять несколько внешних параметров, таких как:

• по температуре атмосферы (ТА),
• по тепловому сопротивлению между переходом светодиода и окружающим воздухом (RθJA),
• и рассеиваемой мощностью (PD).

Следующее уравнение 1 показывает характеристики рассеиваемой мощности светодиода PD:

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

С помощью вышеизложенного мы можем дополнительно вывести следующее уравнение, которое вычисляет температуру перехода (TJ) светодиода:

TJ = TA + RθJA × PD ---------- Уравнение №2

Важно определять TJ не только при нормальных рабочих условиях, но и при абсолютной максимальной температуре окружающей среды TA конструкции, с учетом наихудшего сценария.

По мере увеличения температуры TJ перехода светодиода эффективность его работы снижается. Прямой ток светодиода IF и температура перехода TJ должны оставаться ниже своих абсолютных максимальных значений, как классифицировано в таблицах данных, чтобы защитить от разрушения (Рисунок 3).

Рисунок # 3

Помимо светодиодов, вы также должны учитывать энергоэффективность резисторов и управляющих элементов, таких как BJT и операционные усилители (операционные усилители), особенно по мере увеличения количества дискретных компонентов.

Недостаточная энергоэффективность каскадов драйвера, время включения светодиода и / или температура окружающей среды - все эти факторы могут привести к повышению температуры устройства, влияя на токовый выход драйвера BJT и уменьшая падение VF светодиодов. .

По мере того, как повышение температуры снижает прямое падение напряжения на светодиодах, скорость потребления тока светодиодами увеличивается, что приводит к пропорциональному увеличению рассеиваемой мощности PD и температуры, и это вызывает дальнейшее уменьшение прямого падения напряжения на светодиодах VF.

Этот цикл непрерывного повышения температуры, также называемый «тепловым разгоном», вынуждает светодиоды работать при температуре, превышающей их оптимальную рабочую температуру, что приводит к быстрой деградации и, в какой-то момент, отказу устройства из-за повышенного уровня потребления ПЧ. .

Линейные драйверы светодиодов

Управлять светодиодами линейно через транзисторы или микросхемы на самом деле довольно удобно. Из всех возможностей самый простой способ управления светодиодом - это обычно подключить его прямо к источнику напряжения питания (VS).

Наличие подходящего токоограничивающего резистора ограничивает потребление тока устройством и фиксирует точное падение напряжения на светодиодах. Следующее уравнение 3 можно использовать для определения номинала последовательного резистора (RS):

RS = VS - VF / IF ---------- Ур. # 3

Ссылаясь на рисунок 4, мы видим, что 3 светодиода используются последовательно, полное падение напряжения VF на 3 светодиодах должно быть принято во внимание при вычислении VF (прямой ток IF светодиода остается постоянным).

Рисунок # 4

Хотя это может быть простейшая конфигурация драйвера светодиода, в реальной жизни она может оказаться совершенно непрактичной.

Источники питания, особенно автомобильные аккумуляторы, подвержены колебаниям напряжения.

Незначительное увеличение входного питания приводит к тому, что светодиод потребляет большее количество тока и, следовательно, разрушается.

Кроме того, чрезмерное рассеивание мощности PD в резисторе увеличивает температуру устройства, что может вызвать тепловой пробой.

Дискретные светодиодные драйверы постоянного тока для автомобильной промышленности

Использование функции постоянного тока обеспечивает повышенную энергоэффективность и надежность схемы. Поскольку наиболее распространенным методом управления светодиодом является включение и выключение, транзистор обеспечивает хорошо регулируемый источник тока.

Рисунок # 5

Ссылаясь на рисунок 5 выше, можно выбрать либо BJT, либо MOSFET, в зависимости от характеристик напряжения и тока конфигурации светодиода. Транзисторы легко справляются с большей мощностью по сравнению с резистором, но чувствительны к скачкам и падениям напряжения и колебаниям температуры. Например, когда напряжение вокруг BJT увеличивается, его ток также пропорционально увеличивается.

Чтобы гарантировать дополнительную стабильность, можно настроить эти схемы BJT или MOSFET для обеспечения постоянного тока, несмотря на наличие дисбаланса в напряжении питания.

Разработка светодиодного источника тока

Рисунки с 6 по 8 демонстрируют несколько иллюстраций схем источника тока.

На рисунке 6 стабилитрон генерирует стабильное выходное напряжение на базе транзистора.

Токоограничивающий резистор RZ обеспечивает регулируемый ток для правильной работы стабилитрона.

Выход стабилитрона выдает постоянное напряжение, несмотря на колебания напряжения питания.

Падение напряжения на эмиттерном резисторе RE должно дополнять падение напряжения на стабилитроне, поэтому транзистор регулирует ток коллектора, что гарантирует, что ток через светодиоды всегда остается постоянным.

Использование обратной связи операционного усилителя

На рисунке 7 ниже показана схема операционного усилителя с петлей обратной связи для создания идеальной схемы автомобильного контроллера светодиода. В обеспечивает подключение обратной связи, выход получает автоматически скорректированный с тем, что потенциал разработан на своих отрицательных остатках входных равен его положительный опорный вход.

Стабилитрон зажимается для генерирования опорного напряжения на неинвертирующий вход операционного усилителя. В случае, если ток светодиодов превышает заданное значение, на измерительном резисторе RS создается пропорциональное напряжение, которое пытается превысить эталонное значение стабилитрона.

Так как это вызывает напряжение на отрицательной инвертирующий вход операционного усилителя, чтобы превысить положительное значение опорного стабилитрона, силы ОУ выход на выключается который, в свою очередь, уменьшает ток светодиода, а также напряжение на РС.

Эта ситуация снова возвращает выход операционного усилителя в состояние ВКЛ и активирует светодиод, и это саморегулирующееся действие операционного усилителя продолжается бесконечно, гарантируя, что ток светодиода никогда не превышает расчетный небезопасный уровень.

На рисунке 8 выше показан еще один дизайн, основанный на обратной связи, выполненный с помощью пары BJT. Здесь ток протекает через R1, включая транзистор Q1. Ток продолжает проходить через R2, который фиксирует правильную величину тока через светодиоды.

Если этот ток светодиода через R2 пытается превысить заданное значение, падение напряжения на R2 также пропорционально увеличивается. В тот момент, когда это падение напряжения возрастает до напряжения база-эмиттер (Vbe) транзистора Q2, Q2 начинает включаться.

При включении Q2 теперь начинает потреблять ток через R1, заставляя Q1 начать отключаться, и условие продолжает самонастраивать ток через светодиод, гарантируя, что ток светодиода никогда не выходит за пределы опасного уровня.

Этот транзисторный ограничитель тока с петлей обратной связи гарантирует постоянную подачу тока на светодиоды согласно расчетному значению R2. В приведенном выше примере реализованы BJT, но, тем не менее, также возможно использовать MOSFET в этой схеме для приложений с более высоким током.

Светодиодные драйверы постоянного тока с использованием интегральных схем

Эти важные строительные блоки на основе транзисторов могут быть легко воспроизведены для управления несколькими цепочками светодиодов, как показано на рисунке 9.

Управление группой Светодиодные гирлянды быстро приводит к увеличению количества компонентов, занимая больше места на печатной плате и потребляя больше контактов ввода / вывода общего назначения (GPIO).

Более того, такие конструкции в основном не требуют контроля яркости и диагностики неисправностей, которые необходимы для большинства применений мощных светодиодов.

Для включения таких спецификаций, как контроль яркости и диагностика неисправностей, требуется дополнительное количество дискретных компонентов и дополнительные процедуры анализа конструкции.

Светодиодные конструкции, которые включают большее количество светодиодов , заставляет дискретные схемы включать большее количество частей, увеличивая сложность схемы.

Чтобы упростить процесс проектирования, наиболее эффективным считается применение специализированные ИС для работы в качестве драйверов светодиодов . Многие из дискретных компонентов, показанных на рисунке 9, можно упростить с помощью драйвера светодиода на основе IC, как показано на рисунке 10.

Рисунок # 10

Микросхемы драйверов светодиодов специально разработаны для работы с критическими значениями напряжения, тока и температуры светодиодов, а также для минимизации количества деталей и размеров платы.

Кроме того, микросхемы драйверов светодиодов могут иметь дополнительные функции для контроля яркости и диагностики, включая защиту от перегрева. Тем не менее, возможно, можно будет достичь вышеупомянутых расширенных функций, используя также дискретные конструкции на основе BJT, но ИС, по-видимому, являются сравнительно более простой альтернативой.

Проблемы применения светодиодов в автомобильной промышленности

Во многих автомобильных светодиодах регулировка яркости становится насущной необходимостью.

Поскольку регулировка прямого тока IF через светодиод пропорционально регулирует уровень яркости, для достижения результатов можно использовать аналоговые конструкции. Цифровой метод управления яркостью светодиода - ШИМ или широтно-импульсная модуляция. В следующих деталях анализируются две концепции и показано, как их можно применить в автомобильных светодиодных приложениях.

Разница между аналоговым и ШИМ-контролем яркости светодиода

На рисунке 11 показано основное различие между аналоговым и цифровым методами управления яркостью светодиода.

Рисунок # 11

При использовании аналогового управления яркостью светодиода яркость светодиода изменяется в зависимости от величины протекающего тока, больший ток приводит к увеличению яркости и наоборот.

Но качество аналогового затемнения или регулировки яркости неудовлетворительно, особенно в более низких диапазонах яркости. Аналоговое затемнение обычно не подходит для светодиодных приложений, зависящих от цвета, таких как освещение RGB или индикаторы состояния, поскольку изменение IF имеет тенденцию влиять на цветовой вывод светодиода, вызывая плохое цветовое разрешение светодиодов RGB.

В отличие, Светодиодные диммеры на основе ШИМ не изменяют прямой ток светодиода IF, а регулируют интенсивность, изменяя частоту включения / выключения светодиодов. Затем среднее время включения тока светодиода определяет пропорциональную яркость светодиода. Его также называют скважностью (отношение ширины импульса к интервалу импульсов ШИМ). Благодаря ШИМ более высокий рабочий цикл приводит к более высокому среднему току через светодиод, вызывая более высокую яркость, и наоборот.

Благодаря тому, что вы можете точно настроить рабочий цикл для различных диапазонов освещения, затемнение с ШИМ помогает достичь гораздо более широкого коэффициента затемнения по сравнению с аналоговым регулированием яркости.

Хотя ШИМ гарантирует улучшенный контроль яркости, он требует более тщательного анализа конструкции. Частота ШИМ должна быть намного выше, чем может воспринимать наше зрение, в противном случае светодиоды могут выглядеть так, как будто они мерцают. Кроме того, диммерные схемы с ШИМ печально известны тем, что создают электромагнитные помехи (EMI).

Помехи от светодиодных драйверов

Схема автомобильного светодиодного драйвера, построенная с неадекватным контролем электромагнитных помех, может отрицательно повлиять на другое соседнее электронное программное обеспечение, например, на создание гудящего шума в радио или аналогичном чувствительном аудиооборудовании.

Микросхемы драйверов светодиодов, безусловно, могут предоставить вам как аналоговые, так и ШИМ-функции затемнения, а также дополнительные функции для борьбы с электромагнитными помехами, такие как программируемая скорость нарастания, фазовый сдвиг выходного канала или групповая задержка.

Светодиодная диагностика и сообщение о неисправностях

Светодиодная диагностика, которая включает перегрев, короткое замыкание или разрыв цепи, является популярным предварительным условием проектирования, особенно когда приложение требует работы нескольких светодиодов. Сводя к минимуму риск неисправности светодиодов, драйверы светодиодов имеют регулируемый выходной ток с большей точностью, чем дискретные драйверы на основе транзисторов.

Наряду с этим, драйверы IC дополнительно включают защиту от перегрева, чтобы обеспечить более длительный срок службы светодиодов и самой схемы драйвера.

Драйверы светодиодов, разработанные для автомобилей, должны быть оборудованы для обнаружения ошибок, например обрыва светодиода или короткого замыкания. Некоторые приложения могут также потребовать принятия последующих мер для устранения обнаруженной неисправности.

Например, модуль заднего фонаря автомобиля включает в себя ряд цепочек светодиодов для освещения задних фонарей и стоп-сигналов. В случае обнаружения неисправности перегоревшего светодиода в одной из цепочек светодиодов схема должна иметь возможность выключить весь массив светодиодов, чтобы избежать дальнейшего повреждения оставшихся светодиодов.

Это действие также предупредит пользователя о нестандартном неисправном светодиодном модуле, который необходимо удалить и отправить для обслуживания производителю.

Модули управления кузовным оборудованием (BCM)

Чтобы иметь возможность предоставить диагностическое предупреждение пользователю автомобиля, интеллектуальный переключатель высокого давления в модуль управления кузовом (BCM) регистрирует неисправность через элемент заднего фонаря, как показано на рисунке 12 выше.

При этом идентификация неисправности светодиода через BCM может быть сложной. Иногда вы можете использовать одну и ту же конструкцию платы BCM для обнаружения стандартной схемы на основе лампы накаливания или системы на основе светодиодов, потому что ток светодиодов имеет тенденцию быть значительно меньше, чем потребление лампы накаливания, что позволяет различать логическую нагрузку на светодиоды.

Вывод

Открытую или отключенную нагрузку может быть трудно идентифицировать, если токовая диагностика не разработана точно. Вместо того, чтобы иметь отдельную открытую цепочку светодиодов, выключение всей цепочки светодиодов становится более легко обнаруживаемым для BCM для сообщения о ситуации разомкнутой нагрузки. Условие, которое гарантирует, что в случае отказа одного светодиода критерий отказа всех светодиодов может быть выполнен для отключения всех светодиодов при обнаружении сбоя одного светодиода. Автомобильные линейные драйверы светодиодов включают в себя функцию, которая обеспечивает реакцию «один отказ - все отказы» и может идентифицировать общую ошибку шины в нескольких конфигурациях ИС.