Obwody sterowników samochodowych LED - analiza projektu

W samochodach lub samochodach diody LED stały się preferowanym wyborem oświetlenia. Niezależnie od tego, czy chodzi o tylne światła tylne, czy o kierunkowskazy w zestawie wskaźników, jak pokazano na rysunku 1 poniżej, wszystkie mają obecnie diody LED. Ich kompaktowe wymiary sprzyjają wszechstronności w projektowaniu i oferują perspektywę tak trwałości, jak sama długość życia pojazdu.

Rycina 1

Z drugiej strony, mimo że diody LED są bardzo wydajnymi urządzeniami, to są one podatne na pogorszenie w wyniku nieregulowanych parametrów napięcia, prądu i temperatury, szczególnie w surowym ekosystemie motoryzacyjnym.

Aby móc zwiększyć wydajność i trwałość światła LED, Projekt obwodu sterownika LED wymaga ostrożnej analizy.

Układy elektroniczne, które są stosowane jako sterowniki diod LED, zasadniczo wykorzystują tranzystory. Jedną ze standardowych topologii obwodów często stosowanych w sterownikach LED jest topologia liniowa, w której tranzystor jest zaprojektowany do pracy wewnątrz obszaru liniowego.

Ta topologia daje nam możliwość tworzenia obwody sterownika tylko przez tranzystory lub za pomocą wyspecjalizowanych układów scalonych z wbudowanymi tranzystorami i dodatkowymi funkcjami ulepszania diod LED.

W zastosowaniach dyskretnych najczęściej wybierane są bipolarne tranzystory złączowe (BJT), które są powszechnie dostępnymi produktami towarowymi.

Pomimo faktu, że BJT są łatwe do skonfigurowania z punktu widzenia obwodu, można napotkać poważne komplikacje podczas tworzenia kompletnego rozwiązania sterownika LED, które zapewnia dokładność kontroli prądu, wymiary PCB, zarządzanie ciepłem i diagnostykę usterek, które są kilkoma ważnymi warunkami wstępnymi w całym tekście. cały roboczy zakres napięcia zasilania i temperatury.

Ponadto, jako ilość diod LED wzrasta , projektowanie obwodów z wykorzystaniem dyskretnych stopni BJT staje się jeszcze bardziej wyrafinowane.

W porównaniu z oddzielnymi częściami, zastosowanie Alternatywy oparte na IC wydają się być wygodniejsze pod względem układu obwodu, ale dodatkowo procedury projektowania i oceny.

Poza tym ogólny środek zaradczy może być jeszcze tańszy.

Parametry projektowania sterowników samochodowych LED

Dlatego podczas projektowania obwodów sterownika LED dla oświetlenie samochodowe W zastosowaniach konieczne jest rozważenie punktów ogniskowych diod LED, ocena alternatywnych projektów obwodów i czynników związanych z wymaganiami systemu.

Dioda LED jest w rzeczywistości diodą złączową typu P typu N (PN), która umożliwia przepływ prądu tylko w jednym kierunku. Prąd zaczyna płynąć, gdy tylko napięcie na diodzie LED osiągnie minimalne napięcie przewodzenia (VF).

Poziom oświetlenia lub jasność diody LED jest określana przez prąd przewodzenia (IF), podczas gdy ilość prądu pobieranego przez diodę LED zależy od napięcia przyłożonego do diody LED.

Mimo że jasność diody LED i prąd przewodzenia IF są ze sobą liniowo powiązane, nawet niewielki wzrost napięcia przewodzenia VF na diodzie LED może wywołać gwałtowne zwiększenie poboru prądu przez diodę LED.

Diody LED o różnych specyfikacjach kolorów mają różne specyfikacje VF i IF ze względu na ich specyficzne składniki półprzewodnikowe (Rysunek 2). Konieczne jest uwzględnienie specyfikacji arkusza danych każdej diody LED, szczególnie podczas stosowania różnych kolorowych diod LED w jednym obwodzie.

Rysunek 2

Na przykład podczas programowania z oświetlenie czerwono-zielono-niebieskie (RGB) , czerwona dioda LED może mieć napięcie znamionowe przewodzenia około 2 V, podczas gdy to samo dla niebieskich i zielonych diod LED może wynosić około 3 do 4 V.

Biorąc pod uwagę, że używasz tych diod LED z jednego wspólnego źródła napięcia, możesz potrzebować dobrze obliczonego rezystor ograniczający prąd dla każdej z kolorowych diod LED, aby uniknąć pogorszenia działania diod LED.

Sprawność cieplna i energetyczna

Oprócz parametrów napięcia i prądu zasilania, temperatura i sprawność energetyczna również wymagają dokładnej analizy. Chociaż większość prądu doprowadzanego do diody LED jest zamieniana na światło LED, niewielka ilość energii jest zamieniana na ciepło w złączu PN urządzenia.

Na temperaturę generowaną na złączu diod LED może poważnie wpływać kilka parametrów zewnętrznych, takich jak:

• przez temperaturę atmosferyczną (TA),
• przez opór cieplny między złączem LED a otaczającym powietrzem (RθJA),
• oraz przez rozpraszanie mocy (PD).

Poniższe równanie 1 ujawnia specyfikację rozpraszania mocy PD diody LED:

PD = VF × IF ------------ Równanie nr 1

Korzystając z powyższego, możemy dalej wyprowadzić następujące równanie, które oblicza temperaturę złącza (TJ) diody LED:

TJ = TA + RθJA × PD ---------- Równanie nr 2

Istotne jest, aby określić TJ nie tylko w normalnych warunkach pracy, ale także w absolutnej maksymalnej temperaturze otoczenia TA projektu, biorąc pod uwagę najgorszy scenariusz.

Wraz ze wzrostem temperatury złącza LED TJ pogarsza się jego wydajność pracy. Prąd przewodzenia diody LED IF i temperatura złącza TJ muszą pozostać poniżej ich bezwzględnych maksymalnych wartości znamionowych, zgodnie z klasyfikacją w arkuszach danych, w celu ochrony przed zniszczeniem (Rysunek 3).

Rysunek nr 3

Oprócz diod LED należy również wziąć pod uwagę sprawność energetyczną rezystorów i elementów sterujących, takich jak BJT i ​​wzmacniacze operacyjne (wzmacniacze operacyjne), szczególnie w miarę wzrostu ilości elementów dyskretnych.

Niewystarczająca wydajność energetyczna stopni sterownika, czas świecenia diod LED i / lub temperatura otoczenia - wszystkie te czynniki mogą prowadzić do wzrostu temperatury urządzenia, wpływając na prąd wyjściowy sterownika BJT i ​​zmniejszając spadek VF diod LED .

Wraz ze wzrostem temperatury zmniejsza się spadek napięcia przewodzenia diod LED, zwiększa się pobór prądu przez diodę LED, prowadząc do proporcjonalnie zwiększonego rozpraszania mocy PD i temperatury, co powoduje dalsze zmniejszenie spadku napięcia przewodzenia diod LED VF.

Ten cykl ciągłego wzrostu temperatury, określany również jako „niekontrolowana temperatura”, zmusza diody LED do działania powyżej ich optymalnej temperatury roboczej, powodując szybką degradację, aw pewnym momencie awarię urządzenia, z powodu zwiększonego poziomu zużycia IF .

Liniowe sterowniki LED

Obsługa diod LED liniowo za pomocą tranzystorów lub układów scalonych jest w rzeczywistości całkiem wygodna. Ze wszystkich możliwości najprostszym podejściem do sterowania diodą LED jest zwykle podłączenie jej bezpośrednio do źródła napięcia zasilania (VS).

Posiadanie odpowiedniego rezystora ograniczającego prąd ogranicza pobór prądu przez urządzenie i zapewnia dokładny spadek napięcia dla diody LED. Do obliczenia wartości rezystora szeregowego (RS) można użyć następującego równania 3:

RS = VS - VF / IF ---------- Równanie nr 3

Odnosząc się do rysunku nr 4, widzimy, że 3 diody LED są używane szeregowo, przy obliczaniu VF należy uwzględnić cały spadek napięcia VF na 3 diodach LED (prąd przewodzenia diody LED IF pozostaje stały).

Rysunek 4

Chociaż może to być najprostsza konfiguracja sterownika LED, może być dość niepraktyczna w rzeczywistej implementacji.

Zasilacze, zwłaszcza akumulatory samochodowe, są podatne na wahania napięcia.

Niewielki wzrost napięcia wejściowego powoduje, że dioda LED pobiera większe ilości prądu i w konsekwencji ulega zniszczeniu.

Ponadto nadmierne rozpraszanie wyładowań niezupełnych mocy w rezystorze powoduje wzrost temperatury urządzenia, co może powodować niekontrolowane ciepło.

Dyskretne sterowniki LED o stałym prądzie do zastosowań motoryzacyjnych

Gdy używana jest funkcja prądu stałego, zapewnia ulepszony energooszczędny i niezawodny układ. Ponieważ najbardziej rozpowszechnioną techniką działania diody LED jest włączanie i wyłączanie, tranzystor umożliwia dobrze regulowane zasilanie prądem.

Rysunek nr 5

Odnosząc się do powyższego rysunku 5, może być możliwe zastosowanie BJT lub MOSFET, w oparciu o specyfikacje napięcia i prądu konfiguracji LED. Tranzystory z łatwością radzą sobie z większą mocą w porównaniu z rezystorem, ale są podatne na wzrosty i spadki napięcia oraz wahania temperatury. Na przykład, gdy napięcie wokół BJT rośnie, jego prąd również proporcjonalnie rośnie.

Aby zagwarantować dodatkową stabilność, możliwe jest dostosowanie tych obwodów BJT lub MOSFET do dostarczania stałego prądu pomimo braku równowagi w napięciu zasilania.

Projektowanie źródła prądu LED

Rysunki od 6 do 8 przedstawiają kilka ilustracji obwodu źródła prądu.

Na rysunku 6 dioda Zenera generuje stabilne napięcie wyjściowe do podstawy tranzystora.

Rezystor ograniczający prąd RZ zapewnia kontrolowany prąd, aby umożliwić poprawną pracę diody Zenera.

Wyjście diody Zenera wytwarza stałe napięcie pomimo wahań napięcia zasilania.

Spadek napięcia na rezystorze emiterowym RE powinien uzupełniać spadek napięcia na diodzie Zenera, dlatego tranzystor reguluje prąd kolektora, co zapewnia, że ​​prąd płynący przez diody LED zawsze pozostaje stały.

Korzystanie ze sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego

Na rysunku 7 poniżej pokazano obwód wzmacniacza operacyjnego z pętlą sprzężenia zwrotnego do stworzenia idealnego obwodu sterownika samochodowego LED. Połączenie sprzężenia zwrotnego zapewnia, że ​​wyjście jest automatycznie regulowane, tak aby potencjał rozwinięty na jego ujemnym wejściu pozostał równy dodatkowemu wejściu odniesienia.

Dioda Zenera jest zaciśnięta, aby wygenerować napięcie odniesienia na nieodwracającym wejściu wzmacniacza operacyjnego. W przypadku, gdy prąd diod LED przekracza z góry określoną wartość, wytwarza proporcjonalną ilość napięcia na rezystorze czujnikowym RS, który próbuje przekroczyć wartość odniesienia Zenera.

Ponieważ powoduje to, że napięcie na ujemnym wejściu odwracającym wzmacniacza operacyjnego przekracza dodatnią wartość odniesienia Zenera, wymusza wyłączenie wyjścia wzmacniacza operacyjnego, co z kolei zmniejsza prąd diody LED, a także napięcie na RS.

Ta sytuacja ponownie przywraca wyjście wzmacniacza operacyjnego do stanu włączenia i aktywuje diodę LED, a to samoregulujące działanie wzmacniacza operacyjnego jest kontynuowane w nieskończoność, zapewniając, że prąd diody LED nigdy nie przekroczy obliczonego niebezpiecznego poziomu.

Rysunek 8 powyżej przedstawia jeszcze jeden projekt oparty na sprzężeniu zwrotnym, zrealizowany przy użyciu kilku BJT. Tutaj prąd płynie przez R1, załączając tranzystor Q1. Prąd płynie dalej przez R2, który ustala odpowiednią ilość prądu przez diody LED.

W przypadku, gdy ten prąd diody LED przepływający przez R2 próbuje przekroczyć z góry określoną wartość, spadek napięcia na R2 również wzrasta proporcjonalnie. W momencie, gdy ten spadek napięcia wzrośnie do poziomu napięcia bazy-emiter (Vbe) tranzystora Q2, Q2 zaczyna się włączać.

Po włączeniu Q2 zaczyna pobierać prąd przez R1, zmuszając Q1 do rozpoczęcia wyłączania, a stan samoczynnie dostosowuje prąd przez diodę LED, zapewniając, że prąd LED nigdy nie przekroczy niebezpiecznego poziomu.

To tranzystorowy ogranicznik prądu z pętlą sprzężenia zwrotnego gwarantuje stałe zasilanie diod LED zgodnie z obliczoną wartością R2. W powyższym przykładzie zaimplementowano tranzystory BJT, niemniej jednak możliwe jest również użycie tranzystorów MOSFET w tym obwodzie do zastosowań o wyższym natężeniu prądu.

Stałoprądowe sterowniki LED wykorzystujące układy scalone

Te podstawowe elementy budulcowe oparte na tranzystorach można łatwo powielić w celu obsługi kilku ciągów diod LED, jak pokazano na rysunku 9.

Kontrolowanie grupy Sznurki LED szybko powoduje wzrost liczby komponentów, zajmując więcej miejsca na PCB i zużywając większą liczbę pinów wejścia / wyjścia ogólnego przeznaczenia (GPIO).

Co więcej, takie konstrukcje są zasadniczo pozbawione kontroli jasności i rozważań dotyczących diagnostyki błędów, które są niezbędne w większości zastosowań LED mocy.

Uwzględnienie specyfikacji, takich jak sterowanie jasnością i diagnostyka błędów, wymaga dodatkowej liczby dyskretnych komponentów i dodatkowych procedur analizy projektu.

Projekty LED, które obejmują większa liczba diod LED powoduje, że projekty obwodów dyskretnych zawierają większą liczbę części, co zwiększa złożoność obwodu.

W celu usprawnienia procesu projektowania uważa się, że najbardziej efektywne jest zastosowanie wyspecjalizowane układy scalone działające jako sterowniki LED . Wiele dyskretnych komponentów, jak pokazano na rysunku 9, można by ułatwić dzięki sterownikowi LED opartemu na układzie scalonym, jak pokazano na rysunku 10.

Rysunek nr 10

Układy scalone sterowników diod LED są specjalnie zaprojektowane do radzenia sobie z krytycznymi specyfikacjami napięcia, prądu i temperatury diod LED, a także w celu zminimalizowania liczby części i wymiarów płytki.

Ponadto układy scalone sterowników diod LED mogą mieć dodatkowe funkcje kontroli jasności i diagnostyki, w tym ochronę przed przegrzaniem. To powiedziawszy, może być możliwe osiągnięcie powyższych zaawansowanych funkcji również przy użyciu dyskretnych konstrukcji opartych na BJT, ale układy scalone wydają się być łatwiejszą alternatywą, w porównaniu.

Wyzwania w motoryzacyjnych zastosowaniach LED

W wielu zastosowaniach samochodowych diod LED kontrola jasności staje się niezbędną koniecznością.

Ponieważ regulacja prądu przewodzenia IF przez diodę LED powoduje proporcjonalną regulację poziomu jasności, można zastosować konstrukcje analogowe w celu uzyskania wyników. Cyfrowa metoda regulacji jasności diod LED polega na PWM lub modulacji szerokości impulsu. Poniższe szczegóły analizują te dwie koncepcje i pokazują, jak można je zastosować w samochodowych zastosowaniach LED

Różnica między kontrolą jasności diod analogowych i PWM

Rysunek 11 przedstawia główną różnicę między analogowymi i cyfrowymi metodami sterowania jasnością diod LED.

Rysunek 11

Stosując analogową regulację jasności diod LED, oświetlenie diod LED jest zmieniane przez wielkość przepływającego prądu, większy prąd powoduje zwiększenie jasności i odwrotnie.

Jednak jakość analogowego ściemniania lub regulacji jasności nie jest zadowalająca, szczególnie przy niższych zakresach jasności. Ściemnianie analogowe zwykle nie jest odpowiednie dla aplikacji LED zależnych od koloru, takich jak oświetlenie RGB lub wskaźniki stanu, ponieważ różne IF mają wpływ na wyjście kolorów diody LED, powodując słabą rozdzielczość kolorów z diod LED RGB.

W przeciwieństwie, Ściemniacze LED oparte na PWM nie zmieniają prądu przewodzenia LED IF, a raczej kontroluje intensywność poprzez zmianę szybkości przełączania ON / OFF diod LED. Następnie średni prąd LED w czasie świecenia decyduje o proporcjonalnej jasności diody LED. Nazywa się to również cyklem roboczym (stosunkiem szerokości impulsu do interwału impulsu PWM). Dzięki PWM wyższy cykl pracy skutkuje wyższym średnim prądem płynącym przez diodę LED, powodując wyższą jasność i odwrotnie.

Ze względu na to, że możesz precyzyjnie dostosować cykl pracy do różnych zakresów oświetlenia, ściemnianie PWM pomaga osiągnąć znacznie szerszy współczynnik ściemniania w porównaniu ze ściemnianiem analogowym.

Chociaż PWM gwarantuje lepszą kontrolę jasności, wymaga większej analizy projektu. Częstotliwość PWM musi być znacznie wyższa niż to, co nasz wzrok może dostrzec, w przeciwnym razie diody LED mogą wyglądać tak, jakby migotały. Ponadto obwody ściemniaczy PWM są znane z generowania zakłóceń elektromagnetycznych (EMI).

Zakłócenia powodowane przez sterowniki LED

Obwód sterownika samochodowego LED zbudowany z niewystarczającą kontrolą EMI może niekorzystnie wpływać na inne sąsiednie oprogramowanie elektroniczne, na przykład generowanie brzęczącego szumu w radiu lub podobnym wrażliwym sprzęcie audio.

Układy scalone sterowników LED z pewnością mogą zapewnić zarówno funkcje ściemniania analogowego, jak i PWM, a także dodatkowe funkcje do rozwiązywania problemów z EMI, takie jak programowalna szybkość narastania lub przesunięcie fazowe kanału wyjściowego lub opóźnienie grupowe.

Diagnostyka LED i raportowanie błędów

Diagnostyka diod LED obejmująca przegrzanie, zwarcie lub przerwę w obwodzie jest popularnym warunkiem wstępnym projektowania, szczególnie gdy aplikacja wymaga działania wielu diod LED. Minimalizując ryzyko nieprawidłowego działania diod LED, sterowniki diod LED charakteryzują się regulowanym prądem wyjściowym z większą precyzją niż dyskretne topologie sterowników oparte na tranzystorach.

Oprócz tego sterowniki IC dodatkowo zawierają zabezpieczenie przed przegrzaniem, aby zapewnić dłuższą żywotność diod LED i samego obwodu sterownika.

Sterowniki LED przeznaczone do samochodów muszą być wyposażone w wykrywanie błędów, na przykład przerwy w obwodzie lub zwarcia diody LED. Niektóre aplikacje mogą również wymagać podjęcia działań następczych w celu przeciwdziałania wykrytemu błędowi.

Przykładowo, moduł tylnych świateł samochodu zawiera szereg ciągów diod LED do oświetlania tylnych świateł i świateł hamowania. W przypadku wykrycia awarii uszkodzonej diody LED w jednym z ciągów diod LED, obwód musi mieć możliwość wyłączenia całego szeregu diod LED, aby można było uniknąć dalszego uszkodzenia pozostałych diod LED.

Akcja ostrzegałaby również użytkownika o niestandardowym zdegradowanym module LED, który należy odinstalować i wysłać do konserwacji do producenta.

Moduły sterujące nadwozia (BCM)

Aby móc zapewnić ostrzeżenie diagnostyczne użytkownikowi samochodu, inteligentny przełącznik strony wysokiego napięcia w moduł sterujący nadwozia (BCM) rejestruje usterkę przez element tylnego światła, jak pokazano na powyższym rysunku 12.

Mimo to identyfikacja usterki diody LED za pośrednictwem BCM może być skomplikowana. Czasami można użyć tego samego projektu płytki BCM do wykrycia obwodu elektrycznego opartego na standardowych żarówkach lub systemu opartego na diodach LED, ponieważ prąd LED jest zwykle znacznie mniejszy w porównaniu do zużycia żarówek żarowych, w odróżnieniu od logicznego obciążenia LED.

Wniosek

Otwarte lub odłączone obciążenie może być trudne do zidentyfikowania, jeśli diagnostyka wykrywania prądu nie jest dokładnie zaprojektowana. Zamiast pojedynczego otwartego ciągu diod LED, wyłączenie całego ciągu ciągów diod LED staje się łatwiejsze do wykrycia przez BCM w celu zgłaszania sytuacji otwartego obciążenia. Warunek zapewniający, że w przypadku awarii jednej diody LED można wykonać kryterium awarii wszystkich diod LED, aby wyłączyć wszystkie diody po wykryciu jednej usterki diody LED. Motoryzacyjne liniowe sterowniki LED zawierają funkcję, która umożliwia reakcję na jedną awarię i wszystkie awarie i może zidentyfikować wspólną magistralę błędów w wielu konfiguracjach układów scalonych.