Automobilski LED upravljački krugovi - Analiza dizajna

U automobilima ili automobilima LED diode postale su preferirani izbor rasvjete. Bilo da se radi o stražnjim zadnjim svjetlima ili pokazivačima pokazivača u sklopu kako je prikazano na slici 1 dolje, svi oni danas imaju LED diode. Njihove kompaktne dimenzije pomažu svestranosti u dizajnu i nude perspektivu da budu jednako izdržljive koliko i sam životni vijek vozila.

Slika # 1

S druge strane, iako su LED diode vrlo učinkoviti uređaji, osjetljivi su na pogoršanje zbog nereguliranih parametara napona, struje i temperature, posebno u surovim automobilskim ekosustavima.

Da biste mogli poboljšati učinkovitost i trajnost LED svjetla, Dizajn sklopa LED vozača zahtijeva opreznu analizu.

Elektronički sklopovi koji se primjenjuju kao LED pogonski sklopovi u osnovi koriste tranzistore. Jedna standardna topologija sklopa koja se često koristi u LED upravljačkim programima je linearna topologija, gdje je tranzistor dizajniran za rad unutar linearnog područja.

Ova nam topologija daje mogućnost izrade upravljački krugovi samo kroz tranzistore ili pomoću specijaliziranih IC-a s ugrađenim tranzistorima i dodatnim značajkama za poboljšanje LED-a.

U diskretnim primjenama, omiljeni su bipolarni spojni tranzistori (BJT), koji su visoko dostupni robni proizvodi.

Unatoč činjenici da je BJT jednostavno konfigurirati sa stajališta sklopa, glavne komplikacije mogu se naći prilikom stvaranja cjelovitog rješenja LED upravljačkog programa koje ispunjava trenutnu točnost upravljanja, dimenziju PCB-a, upravljanje toplinom i dijagnozu kvarova, što je nekoliko važnih preduvjeta cjelokupni raspon radnog napona i temperature.

Nadalje, kao količina LED-a se povećava , dizajn sklopa pomoću diskretnih BJT stupnjeva postaje još sofisticiraniji.

U usporedbi s diskretnim dijelovima, nanošenje Alternative temeljene na IC-u čini se da su prikladniji s obzirom na raspored sklopa, ali dodatno i postupke dizajniranja i ocjenjivanja.

Osim toga, opći pravni lijek možda je još povoljniji.

Parametri za dizajniranje automobilskih LED upravljačkih programa

Stoga, pri projektiranju upravljačkih krugova LED-a za automobilska rasvjeta Primjena, bitno je razmotriti žarišne točke LED-a, procijeniti alternative dizajna sklopa i čimbenike u zahtjevima sustava.

LED je zapravo spojna dioda N-tipa (PN) tipa P koja omogućuje struji da se kroz nju kreće samo u jednom smjeru. Struja počinje teći čim napon na LED-u dosegne minimalni napon unaprijed (VF).

Razina osvjetljenja ili svjetlina LED-a određuje se prema naprijed struji (IF), a koliko struje LED troši ovisi o naponu primijenjenom na LED-u.

Iako su svjetlina LED-a i naprijed struja IF linearno povezane, čak i malo povećanje napona VF na LED-u može potaknuti brzu eskalaciju trenutnog unosa LED-a.

LED diode s različitim specifikacijama boja imaju različite VF i IF specifikacije zbog svojih specifičnih poluvodičkih sastojaka (slika 2). Potrebno je uzeti u obzir specifikacije tablice svake LED diode, posebno tijekom primjene različitih LED boja u jednom krugu.

Slika # 2

Na primjer, kada se razvija s crveno-zeleno-plavo (RGB) osvjetljenje , crvena LED dioda može imati naponski napon od oko 2 V, dok ista za plavu i zelenu LED može biti oko 3 do 4 V.

Uzimajući u obzir da ovim LED diodama upravljate iz jednog zajedničkog napona, možda će vam trebati dobro izračunati otpornik za ograničavanje struje za svaku od obojenih LED dioda, kako bi se izbjeglo pogoršanje LED dioda.

Toplinska i energetska učinkovitost

Osim parametara napona i struje napajanja, temperatura i energetska učinkovitost također zahtijevaju pažljivu analizu. Iako se većina struje primijenjene na LED pretvara u LED svjetlo, mala količina energije pretvara se u toplinu unutar PN spoja uređaja.

Na temperaturu koja se generira na LED spoju mogao bi ozbiljno utjecati nekoliko vanjskih parametara kao što su:

• atmosferskom temperaturom (TA),
• toplinskim otporom između LED spoja i okolnog zraka (RθJA),
• i rasipanjem snage (PD).

Sljedeća jednadžba 1 otkriva specifikaciju PD disipacije snage LED-a:

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

Uz pomoć gore navedenog možemo dalje izvesti sljedeću jednadžbu koja izračunava temperaturu spoja (TJ) LED-a:

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

Bitno je odrediti TJ ne samo pod normalnim radnim uvjetima, već i pod apsolutnom maksimalnom temperaturom okoliša TA projekta, uzimajući u obzir zabrinutost u najgorem scenariju.

Kako se temperatura spoja LED TJ povećava, učinkovitost rada mu se pogoršava. Struja IF-a i temperature spoja TJ LED-a naprijed moraju ostati ispod njihovih apsolutnih maksimalnih vrijednosti, klasificirane u tablicama podataka, kako bi se zaštitilo od uništenja (slika 3).

Slika # 3

Osim LED-a, trebali biste uzeti u obzir i energetsku učinkovitost otpornika i pogonskih elemenata poput BJT-a i operativnih pojačala (opcijska pojačala), posebno s povećanjem količine diskretnih komponenata.

Neadekvatna energetska učinkovitost stupnjeva vozača, vremensko razdoblje uključenja LED diode i / ili temperatura okoline svi ovi čimbenici mogu dovesti do porasta temperature uređaja, utječući na trenutnu izlaznu snagu BJT vozača i smanjujući VF pad LED dioda .

Kako porast temperature smanjuje pad napona LED-a prema naprijed, trenutna stopa potrošnje LED-a raste što dovodi do proporcionalno povećanog rasipanja snage PD i temperature, a to uzrokuje daljnje smanjenje napona VF LED-a.

Ovaj ciklus kontinuiranog porasta temperature, koji se naziva i 'termalnim odbjegom', prisiljava LED da rade iznad svoje optimalne radne temperature, uzrokujući brzu degradaciju i u nekom trenutku kvar uređaja, zbog povećane razine IF potrošnje .

Linearni LED upravljački programi

Upravljanje LED diodama linearno preko tranzistora ili IC-a zapravo je vrlo povoljno. Od svih mogućnosti, najjednostavniji pristup upravljanju LED-om je obično njezino povezivanje točno preko izvora napajanja (VS).

Imati odgovarajući otpornik za ograničavanje struje ograničava strujanje uređaja i popravlja točan pad napona za LED. Sljedeća jednadžba 3 može se koristiti za izračunavanje vrijednosti serijskog otpora (RS):

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

Pozivajući se na sliku # 4, vidimo da se koriste 3 LED diode u nizu, cjelokupni pad napona VF na 3 LED diode treba uzeti u obzir pri izračunu VF (prednja struja LED LED-a ostaje konstantna.)

Slika # 4

Iako ovo može biti najjednostavnija konfiguracija LED upravljačkog programa, u stvarnoj implementaciji može biti prilično nepraktična.

Napajanja, posebno automobilske baterije, osjetljiva su na kolebanje napona.

Neznatno povećanje ulaza napajanja okida LED da crpi veće količine struje i posljedično uništava.

Nadalje, prekomjerno rasipanje snage PD u otporniku povećava temperaturu uređaja, što može dovesti do toplinskog odbjega.

Diskretni pogonski sklopovi za stalnu struju za automobilsku primjenu

Kada se koristi značajka konstantne struje, ona osigurava poboljšani energetski učinkovit i pouzdan raspored. Budući da je najrasprostranjenija tehnika upravljanja LED-om preko uključivanja i isključivanja, tranzistor omogućuje dobro reguliranu opskrbu strujom.

Slika # 5

Pozivajući se na gornju sliku 5, možda je moguće odabrati BJT ili MOSFET, na temelju specifikacija napona i struje LED konfiguracije. Tranzistori se lako nose s većom snagom u usporedbi s otpornikom, ali su podložni usponima i padovima napona i temperaturnim promjenama. Na primjer, kada napon oko BJT poraste, njegova se struja također proporcionalno povećava.

Kako bi se zajamčila dodatna stabilnost, moguće je prilagoditi ove BJT ili MOSFET krugove tako da isporučuju stalnu struju unatoč neravnoteži u opskrbnom naponu.

Projektiranje LED izvora struje

Slike 6 do 8 prikazuju pregršt ilustracija strujnih krugova.

Na slici 6, Zener dioda generira stabilan izlazni napon u bazi tranzistora.

Otpornik za ograničavanje struje RZ osigurava kontroliranu struju kako bi Zener dioda mogla ispravno raditi.

Izlaz Zener diode proizvodi konstantan napon usprkos fluktuacijama napona napajanja.

Pad napona na otporniku emitora RE trebao bi nadopuniti pad napona Zener diode, stoga tranzistor podešava kolektorsku struju koja osigurava da struja kroz LED diode uvijek ostane konstantna.

Korištenje povratnih informacija o opcionom pojačalu

Na slici 7 dolje prikazan je opcijski krug pojačala s povratnom krugom za izradu idealnog sklopa upravljačkog LED upravljačkog sklopa. Povratna veza osigurava da se izlaz automatski podešava kako bi potencijal razvijen na njegovom negativnom ulazu ostao jednak pozitivnom referentnom ulazu.

Zener dioda je stegnuta da generira referentni napon na neinvertirajućem ulazu op amp-a. U slučaju da struja LED-a premaši unaprijed zadanu vrijednost, ona razvija proporcionalnu količinu napona na osjetnom otporu RS, koji pokušava premašiti referentnu vrijednost zenera.

Budući da ovo dovodi do toga da napon na negativnom invertirajućem ulazu op amp-a premašuje pozitivnu referentnu cijener vrijednost, prisiljava opcijski izlaz da se ISKLJUČUJE, što zauzvrat smanjuje LED struju i napon na RS-u.

Ova situacija ponovno vraća izlaz opcijskog pojačala da se uključi i aktivira LED, a ovo samopodesivo djelovanje opcijskog pojačala nastavlja se beskonačno osiguravajući da LED struja nikada ne pređe izračunatu nesigurnu razinu.

Slika 8 gore ilustrira još jedan dizajn temeljen na povratnim informacijama izveden pomoću nekoliko BJT-ova. Ovdje struja teče pomoću R1, UKLJUČUJUĆI tranzistor Q1. Struja nastavlja putovati preko R2, koji popravlja točnu količinu struje kroz LED diode.

U slučaju da ova LED struja kroz R2 pokuša premašiti unaprijed zadanu vrijednost, pad napona na R2 također se proporcionalno povećava. Onog trenutka kada se ovaj pad napona povisi do napona od baze do emitora (Vbe) tranzistora Q2, Q2 se počinje UKLJUČIVATI.

Kad se UKLJUČI Q2 sada počinje povlačiti struju kroz R1, prisiljavajući Q1 da se počne isključivati, a stanje zadržava samoprilagođavanje struje kroz LED osiguravajući da LED struja nikada ne prelazi nesigurnu razinu.

Ovaj tranzistorizirani graničnik struje s povratnom petljom jamči konstantno napajanje LED dioda prema izračunatoj vrijednosti R2. U gore navedenom primjeru implementirani su BJT-ovi, ali je također moguće koristiti MOSFET-ove u ovom krugu, za primjene jačih struja.

Pogonski sklopovi konstantne struje koji koriste integrirane krugove

Ovi bitni blokovi temeljeni na tranzistorima mogu se lako preslikati za rad s nekoliko nizova LED-a, kao što je prikazano na slici 9.

Kontrola grupe LED žice brzo uzrokuje porast broja komponenata, zauzimajući veći prostor na PCB-u i trošeći veći broj općenitih ulaznih / izlaznih (GPIO) pinova.

Štoviše, takvi su dizajni u osnovi bez razmatranja upravljanja svjetlinom i dijagnostike kvarova, što su ključne potrebe za većinu LED napajanja.

Za uključivanje specifikacija poput kontrole svjetline i dijagnostike kvarova potreban je dodatni broj diskretnih komponenata i dodani postupci analize dizajna.

LED dizajni koji uključuju veći broj LED-a , uzrokuje da diskretni dizajni krugova uključuju veći broj dijelova, povećavajući složenost kruga.

Kako bi se pojednostavio postupak dizajniranja, smatra se najučinkovitijim za primjenu specijalizirane IC-ove koji funkcioniraju kao LED pogonski sklopovi . Mnogo diskretnih komponenata, kao što je prikazano na slici 9, moglo bi se olakšati pomoću LED upravljačkog programa koji se temelji na IC-u, kako je prikazano na slici 10.

Slika # 10

IC upravljačke komponente LED posebno su dizajnirane za rješavanje kritičnih specifikacija napona, struje i temperature LED dioda, a također i za smanjenje broja dijelova i dimenzija ploče.

Nadalje, IC upravljačke jedinice LED-a mogu imati dodatne značajke za kontrolu svjetline i dijagnostiku, uključujući zaštitu od previsoke temperature. Usprkos tome, možda je moguće postići gore navedene napredne značajke i pomoću diskretnih BJT dizajna, ali čini se da su IC-ovi usporedno lakša alternativa.

Izazovi u automobilskoj LED primjeni

U mnogim izvedbama automobilskih LED dioda kontrola svjetline postaje prijeko potrebna.

Budući da podešavanje IF struje prema naprijed putem LED-a proporcionalno podešava razinu svjetline, za postizanje rezultata mogu se koristiti analogni dizajni. Digitalna metoda upravljanja svjetlinom LED-a je putem PWM-a ili modulacije širine impulsa. Sljedeći detalji analiziraju dva koncepta i pokazuju kako se mogu primijeniti za automobilske LED aplikacije

Razlika između analogne i PWM LED svjetline

Slika 11 ocjenjuje glavnu razliku između analognih i digitalnih metoda upravljanja svjetlinom LED-a.

Slika # 11

Korištenjem analogne LED regulacije svjetline, LED osvjetljenje se mijenja kroz veličinu protočne struje, veća struja rezultira povećanom svjetlinom i obrnuto.

Ali, kvaliteta analognog zatamnjenja ili kontrole svjetline nije zadovoljavajuća, posebno pri nižim rasponima svjetline. Analogno zatamnjenje obično nije prikladno za primjenu LED ovisno o boji, poput RGB osvjetljenja ili indikatora statusa, jer različiti IF obično utječe na izlaz boje u LED-u, uzrokujući lošu razlučivost boja od RGB LED-a.

U kontrastu, LED prigušivači na bazi PWM-a ne mijenjajte trenutnu struju LED-a IF, radije kontrolirajte intenzitet mijenjanjem ON / OFF brzine prebacivanja LED-a. Zatim, prosječno vrijeme uključenja LED diode određuje proporcionalnu svjetlinu LED diode. Naziva se i radnim ciklusom (omjer širine impulsa u impulsnom intervalu PWM-a). Kroz PWM, veći radni ciklus rezultira većom prosječnom strujom kroz LED što uzrokuje veću svjetlinu i obrnuto.

Zbog činjenice da ste u stanju fino prilagoditi radni ciklus na različite rasvjete, PWM prigušivanje pomaže postići mnogo širi omjer zatamnjenja u usporedbi s analognim prigušivanjem.

Iako PWM jamči poboljšani izlaz kontrole svjetline, potrebna je veća analiza dizajna. Frekvencija PWM-a mora biti puno veća od one koju naša vizija može opaziti, inače bi se LED diode mogle na kraju pojaviti kao da trepere. Nadalje, PWM zatamnjeni krugovi poznati su po tome što generiraju elektromagnetske smetnje (EMI).

Ometanje LED upravljačkih programa

Automobilski LED upravljački sklop izgrađen s neadekvatnom EMI kontrolom mogao bi negativno utjecati na ostale susjedne elektroničke programe, poput stvaranja zujanja u radiju ili slične osjetljive audio opreme.

IC upravljačke jedinice LED-a mogu vam sigurno pružiti i analogne i PWM značajke zatamnjenja, kao i dodatne funkcije za rješavanje EMI-a, poput programibilne brzine porasta ili faznog pomaka izlaznog kanala ili grupnog kašnjenja.

LED dijagnostika i javljanje kvarova

LED dijagnostika koja uključuje pregrijavanje, kratki spoj ili prekid kruga popularni su preduvjet za dizajn, posebno kada aplikacija zahtijeva višestruki LED rad. Smanjujući rizik od neispravnosti LED-a, LED pogonski uređaji imaju reguliranu izlaznu struju s većom preciznošću od diskretnih pogonskih sklopova zasnovanih na tranzistorima.

Uz to, IC upravljački programi dodatno uključuju zaštitu od previsoke temperature kako bi osigurali veći životni vijek LED-a i samog upravljačkog kruga.

LED upravljački programi dizajnirani za automobile moraju biti opremljeni za otkrivanje pogrešaka, na primjer LED otvoren ili kratki spoj. Nekoliko aplikacija također će trebati naknadne mjere za suzbijanje otkrivene greške.

Kao primjer, modul stražnjih svjetala u automobilu sadrži niz žaruljica za osvjetljenje stražnjih i kočionih svjetala. U slučaju da se u jednoj od žica LED-a otkrije kvar sa LED-om, tada krug mora biti u stanju isključiti čitav niz LED-a kako bi se izbjeglo daljnje oštećenje preostalih LED-a.

Akcija bi također upozorila korisnika na nestandardni degradirani LED modul koji treba deinstalirati i poslati na održavanje proizvođaču.

Upravljački moduli tijela (BCM)

Da biste mogli pružiti dijagnostičko upozorenje korisniku automobila, inteligentni prekidač s gornje strane u kućištu upravljački modul tijela (BCM) registrira kvar kroz element stražnjeg svjetla kao što je prikazano na gornjoj slici 12.

Kad smo to već rekli, prepoznavanje kvara LED-a kroz BCM može biti komplicirano. Povremeno možete koristiti isti dizajn ploče BCM za otkrivanje standardnog kruga na bazi žarulje sa žarnom niti ili sustava koji se temelji na LED-u, jer je LED struja obično znatno manja za razliku od potrošnje žarulje sa žarnom niti, razlikujući logičko LED opterećenje.

Zaključak

Otvoreno ili odvojeno opterećenje moglo bi biti teško prepoznati ako dijagnostika trenutnog osjeta nije točno dizajnirana. Umjesto da imate pojedinačni otvoreni LED niz, ISKLJUČIVANJE cijelog niza LED nizova postaje lakše uočljivo za BCM za prijavljivanje otvorenog stanja opterećenja. Uvjet koji osigurava da se, ako otkaže jedan LED, tada može izvršiti kriterij Neuspjeh svih LED-a da se isključe sve LED diode prilikom otkrivanja jedne LED smetnje. Automobilski linearni LED upravljački programi uključuju značajku koja omogućuje reakciju jedan-sve-svaki-neuspjeh i mogu prepoznati uobičajenu sabirnicu pogrešaka u više konfiguracija IC-a.