Avtomobilska vodilna vezja LED - Analiza zasnove

V avtomobilih ali avtomobilih so LED diode postale najprimernejša izbira razsvetljave. Ne glede na to, ali gre za zadnje zadnje luči ali indikatorje opozoril v kontrolni plošči, kot je prikazano na sliki 1 spodaj, danes vse vključujejo LED. Njihove kompaktne dimenzije pomagajo vsestransko oblikovati in ponujajo možnost, da je tako trpežna kot pričakovana življenjska doba vozila.

Slika # 1

Po drugi strani pa so LED diode, čeprav so zelo učinkovite naprave, občutljive na poslabšanje zaradi neurejenih parametrov napetosti, toka in temperature, zlasti v težkem avtomobilskem ekosistemu.

Da bi lahko povečali učinkovitost in trajnost LED svetlobe, Dizajn vezja LED gonilnika zahteva previdno analizo.

Elektronska vezja, ki se uporabljajo kot gonilniki LED, v osnovi uporabljajo tranzistorje. Ena topologija standardnega vezja, ki se pogosto uporablja v gonilnikih LED, je linearna topologija, pri kateri je tranzistor zasnovan tako, da deluje znotraj linearne regije.

Ta topologija nam daje možnost izdelave gonilniška vezja samo prek tranzistorjev ali uporaba specializiranih IC z vgrajenimi tranzistorji in dodatnimi funkcijami za izboljšanje LED.

V diskretnih aplikacijah so najljubši bipolarni tranzistorji (BJT), ki so zelo dostopni blagovni izdelki.

Kljub dejstvu, da je BJT enostavno konfigurirati z vidika vezja, je mogoče najti večje zaplete, medtem ko ustvarjamo celotno rešitev gonilnika LED, ki izpolnjuje trenutno točnost nadzora, dimenzijo PCB, upravljanje toplote in diagnozo napak, kar je nekaj pomembnih predpogojev celotno delovno napetost in temperaturno območje.

Poleg tega, kot količina LED se poveča , oblikovanje vezij z diskretnimi stopnjami BJT postane še bolj dodelano.

V primerjavi z diskretnimi deli, nanašanje Alternative na osnovi IC zdi se, da je bolj priročen glede na postavitev vezja, poleg tega pa tudi postopke načrtovanja in ocenjevanja.

Poleg tega je morda splošno sredstvo morda še bolj dostopno.

Parametri za oblikovanje avtomobilskih LED gonilnikov

Zato pri načrtovanju vezja gonilnikov LED za avtomobilska razsvetljava Za uporabo je nujno razmišljati o žariščih LED, oceniti možnosti zasnove vezij in dejavnike pri sistemskih zahtevah.

LED je pravzaprav priključna dioda N-tipa (PN) tipa P, ki omogoča, da se tok skozinjo premika samo v eni smeri. Tok začne teči takoj, ko napetost na LED doseže najnižjo napetost naprej (VF).

Stopnja osvetlitve ali svetlost LED je odvisna od trenutnega toka (IF), medtem ko koliko toka porabi LED, je odvisno od napetosti, ki se uporablja na LED.

Čeprav sta svetlost LED in prednji tok IF linearno povezana, lahko celo rahlo povečanje napetosti VF naprej na LED povzroči hitro stopnjevanje trenutnega vnosa LED.

LED z različnimi barvnimi specifikacijami imajo različne specifikacije VF in IF zaradi specifičnih polprevodniških sestavin (slika 2). Upoštevati je treba specifikacije podatkovnega lista vsake LED, zlasti pri uporabi različnih barvnih LED v enem vezju.

Slika 2

Na primer, pri razvoju z rdeče-zeleno-modra (RGB) osvetlitev , lahko rdeča LED ima naponsko napetost približno 2 V, medtem ko je enaka za modro in zeleno LED približno 3 do 4 V.

Glede na to, da s temi LED-ji upravljate eno samo skupno napetost, boste morda potrebovali dobro izračunano upor za omejevanje toka za vsako od barvnih LED, da se izognete poslabšanju LED.

Toplotna in energetska učinkovitost

Poleg parametrov napajalne napetosti in toka je treba skrbno analizirati tudi temperaturo in energetsko učinkovitost. Čeprav se večina toka, ki ga oddaja LED, pretvori v LED svetlobo, se majhna količina energije znotraj PN-stikala naprave spremeni v toploto.

Nekaj ​​zunanjih parametrov, kot so:

• glede na atmosfersko temperaturo (TA),
• s toplotno upornostjo med križiščem LED in zunanjim zrakom (RθJA),
• in z odvajanjem moči (PD).

Naslednja enačba 1 razkriva specifikacijo PD za odvajanje moči LED:

PD = VF × IF ------------ Eq # 1

S pomočjo zgoraj navedenega lahko nadalje izpeljemo naslednjo enačbo, ki izračuna temperaturo spoja (TJ) LED:

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

Bistvenega pomena je določiti TJ ne le v običajnih delovnih razmerah, temveč tudi pri absolutni najvišji temperaturi okolja TA zasnove glede na najhujše možne scenarije.

Ko se temperatura priključka LED TJ poveča, se njegova delovna učinkovitost poslabša. Prednji trenutni IF in temperatura priključka TJ LED morata ostati pod absolutnimi najvišjimi vrednostmi, razvrščenimi v obrazce, da se zaščiti pred uničenjem (slika 3).

Slika 3

Poleg LED morate upoštevati tudi izkoristek moči uporov in pogonskih elementov, kot so BJT in operacijski ojačevalniki (op amperi), zlasti ko se količina diskretnih komponent povečuje.

Neustrezna energetska učinkovitost stopenj voznika, čas vklopa LED in / ali temperatura okolice vsi ti dejavniki lahko privedejo do zvišanja temperature naprave, ki vpliva na trenutni izhod gonilnika BJT in zmanjša VF padec LED .

Ko dvig temperature zmanjša LED napetostni padec napetosti, se trenutna stopnja porabe LED poveča, kar vodi do sorazmerno povečanega odvajanja moči PD in temperature, kar povzroči nadaljnje zmanjšanje padca napetosti VF LED naprej.

Ta cikel neprekinjenega dviga temperature, imenovan tudi 'toplotni uhajanje', prisili LED, da deluje nad njihovo optimalno delovno temperaturo, kar povzroči hitro degradacijo in v določenem trenutku okvaro naprave zaradi povečane ravni porabe IF .

Linearni LED gonilniki

Delovanje LED-jev linearno prek tranzistorjev ali IC-jev je pravzaprav zelo priročno. Najbolj preprost pristop za nadzor LED je med vsemi možnostmi običajno ta, da ga priključite naravnost prek vira napajalne napetosti (VS).

Če imate pravi upor za omejevanje toka, omejite tok naprave in določite natančen padec napetosti za LED. Za izračun vrednosti serijskega upora (RS) lahko uporabimo naslednjo enačbo 3:

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

Glede na sliko št. 4 vidimo, da se zaporedno uporabljajo 3 LED, je treba pri izračunu VF upoštevati celoten padec napetosti VF na treh LED (prednji tok LED LED ostane konstanten.)

Slika 4

Čeprav je to lahko najpreprostejša konfiguracija gonilnikov LED, je v resnični izvedbi morda precej nepraktična.

Napajalniki, zlasti avtomobilski akumulatorji, so dovzetni za nihanja napetosti.

Manjše povečanje vhoda napajanja sproži LED, da potegne večje količine toka in se posledično uniči.

Poleg tega prekomerno odvajanje moči PD v uporu poveča temperaturo naprave, kar lahko povzroči toplotni uhajanje.

Diskretni gonilniki LED s konstantnim tokom za avtomobilsko uporabo

Če uporabljate funkcijo stalnega toka, zagotavlja izboljšano energetsko učinkovito in zanesljivo postavitev. Ker je najpogostejša tehnika upravljanja LED prek vklopa in izklopa, tranzistor omogoča dobro regulirano napajanje toka.

Slika # 5

Glede na zgornjo sliko 5 je mogoče izbrati BJT ali MOSFET, ki temelji na napetostnih in tokovnih specifikacijah konfiguracije LED. Tranzistorji z lahkoto obvladajo večjo moč v primerjavi z uporom, kljub temu pa so občutljivi na vzpone in padce napetosti in temperaturne razlike. Na primer, ko napetost okoli BJT naraste, se tudi njegov tok sorazmerno poveča.

Da bi zagotovili dodatno stabilnost, je mogoče ta vezja BJT ali MOSFET prilagoditi tako, da zagotavljajo konstanten tok, čeprav imajo neravnovesja v napajalni napetosti.

Oblikovanje LED tokovnega vira

Na slikah 6 do 8 je prikazano nekaj ilustracij tokokrogov.

Na sliki 6 Zenerjeva dioda generira stabilno izhodno napetost na dnu tranzistorja.

Upor za omejevanje toka RZ zagotavlja nadzorovan tok, da lahko Zenerjeva dioda deluje pravilno.

Izhod Zenerjeve diode ustvarja konstantno napetost kljub nihanjem napajalne napetosti.

Padec napetosti na emiterskem uporu RE bi moral dopolnjevati padec napetosti Zenerjeve diode, zato tranzistor prilagodi kolektorski tok, ki zagotavlja, da tok skozi LED vedno ostane konstanten.

Uporaba povratnih informacij o ojačevalniku

Na sliki 7 spodaj je prikazano vezje opcijskega ojačevalnika z povratno zanko za izdelavo idealnega avtomobilskega vezja LED krmilnika. Povratna povezava zagotavlja, da se izhod samodejno prilagodi, tako da potencial, razvit na njegovem negativnem vhodu, ostane enak pozitivnemu referenčnemu vhodu.

Zenerjeva dioda je vpeta, da generira referenčno napetost na neinvertirajočem vhodu op amp. V primeru, da tok LED preseže vnaprej določeno vrednost, razvije sorazmerno veliko napetost na zaznavnem uporu RS, ki poskuša preseči zenerjevo referenčno vrednost.

Ker to povzroči, da napetost na negativnem invertirnem vhodu op ampera preseže pozitivno referenčno vrednost cenerja, izhod opcijskega ojačevalnika izklopi, kar nato zmanjša tok LED in tudi napetost na RS.

Ta situacija spet povrne izhod opcijskega ojačevalnika, da vklopi stanje in aktivira LED, to samodejno nastavljanje opcijskega ojačevalnika pa še naprej neskončno zagotavlja, da tok LED nikoli ne preseže izračunane nevarne ravni.

Slika 8 zgoraj prikazuje še eno zasnovo, ki temelji na povratnih informacijah in je bila izvedena z uporabo nekaj BJT-jev. Tu tok teče s pomočjo R1 in vklopi tranzistor Q1. Tok se nadaljuje skozi R2, ki skozi LED-diode fiksira pravilno količino toka.

V primeru, da ta tok LED skozi R2 poskuša preseči vnaprej določeno vrednost, se sorazmerno poveča tudi padec napetosti na R2. V trenutku, ko se ta padec napetosti dvigne do napetosti od osnove do oddajnika (Vbe) tranzistorja Q2, se začne Q2 vklopiti.

Ko je VKLOPLJEN Q2, začne črpati tok skozi R1, zaradi česar se Q1 začne izklapljati, stanje pa se samodejno nastavlja skozi LED, s čimer zagotavlja, da tok LED nikoli ne preseže nevarne ravni.

To tranzistorizirani omejevalnik toka s povratno zanko zagotavlja konstantno dovajanje toka na LED glede na izračunano vrednost R2. V zgornjem primeru so implementirani BJT-ji, vendar je v tem vezju tudi možno uporabiti MOSFET-je za večje tokove.

Gonilniki LED s konstantnim tokom, ki uporabljajo integrirana vezja

Te bistvene gradnike, ki temeljijo na tranzistorjih, je mogoče enostavno ponoviti, da delujejo z več nizi LED, kot je prikazano na sliki 9.

Nadzor nad skupino Strune LED hitro povzroči povečanje števila komponent, zasedejo več prostora na PCB in porabijo več splošnih vhodno / izhodnih (GPIO) nožic.

Poleg tega takšni modeli v bistvu ne upoštevajo nadzora svetlosti in diagnostike napak, kar je bistvenega pomena za večino aplikacij LED z močjo.

Za vključitev specifikacij, kot sta nadzor svetlosti in diagnostika napak, je potrebno dodatno število ločenih komponent in dodani postopki analize zasnove.

LED modeli, ki vključujejo večje število LED povzroča, da diskretni načrti vezij vključujejo večje število delov, kar povečuje kompleksnost vezja.

Da bi poenostavili postopek oblikovanja, velja, da je najučinkovitejša uporaba specializirane IC, ki delujejo kot LED gonilniki . Številne diskretne komponente, kot je prikazano na sliki 9, bi lahko olajšali z gonilnikom LED, ki temelji na IC, kot je prikazano na sliki 10.

Slika 10

IC-gonilniki LED so posebej zasnovani za spopadanje s kritičnimi napetostnimi, tokovnimi in temperaturnimi specifikacijami LED-jev ter za zmanjšanje števila delov in dimenzij plošče.

Poleg tega lahko IC-ji gonilnikov LED imajo dodatne funkcije za nadzor svetlosti in diagnostiko, vključno z zaščito pred pregrevanjem. Kljub temu je mogoče zgornje napredne funkcije mogoče doseči tudi z uporabo diskretnih modelov, ki temeljijo na BJT, vendar se zdi, da so IC-ji primerjalno lažja alternativa.

Izzivi v avtomobilskih LED aplikacijah

Pri številnih avtomobilskih LED izvedbah je nadzor svetlosti nujna potreba.

Ker prilagajanje trenutnega IF skozi LED sorazmerno prilagodi stopnjo svetlosti, je za doseganje rezultatov mogoče uporabiti analogne zasnove. Digitalna metoda nadzora svetlosti LED je prek modulacije PWM ali impulzne širine. Naslednje podrobnosti analizirata oba koncepta in prikazujeta, kako jih je mogoče uporabiti za avtomobilske LED-aplikacije

Razlika med analogno in PWM LED nastavitvijo svetlosti

Slika 11 ocenjuje glavno razliko med analognimi in digitalnimi metodami nadzora svetlosti LED.

Slika # 11

Z uporabo analognega nadzora svetlosti LED se osvetlitev LED spremeni glede na velikost tekočega toka, večji tok pa poveča svetlost in obratno.

Vendar kakovost analognega zatemnitve ali nadzora svetlosti ni zadovoljiva, zlasti pri nižjih razponih svetlosti. Analogno zatemnitev običajno ni primerna za aplikacije, ki so odvisne od barv, kot so osvetlitev RGB ali indikatorji stanja, saj različni IF ponavadi vpliva na barvni izhod LED, kar povzroči slabo barvno ločljivost LED RGB.

V nasprotju, LED zatemnilniki na osnovi PWM ne spreminjajte trenutnega trenutnega LED-ja, IF, temveč nadzoruje intenzivnost s spreminjanjem hitrosti vklopa / izklopa LED. Nato povprečni čas vklopa LED določi sorazmerno svetlost LED. Imenuje se tudi delovni cikel (razmerje med širino impulza in impulznim intervalom PWM). Skozi PWM večji obratovalni cikel povzroči večji povprečni tok skozi LED, kar povzroči večjo svetlost in obratno.

Ker lahko delovni cikel natančno prilagodite na različna območja osvetlitve, zatemnitev s PWM pomaga doseči veliko širše razmerje zatemnitve v primerjavi z analogno zatemnitvijo.

Čeprav PWM zagotavlja izboljšan izhod za nadzor svetlosti, zahteva več analize zasnove. Frekvenca PWM mora biti veliko višja od tiste, ki jo lahko zazna naš vid, sicer se lahko LED diode na koncu prikažejo kot utripajoče. Poleg tega so vezja za zatemnitev PWM znana po ustvarjanju elektromagnetnih motenj (EMI).

Motnje zaradi LED gonilnikov

Avtomobilsko gonilniško vezje LED, zgrajeno z neustreznim nadzorom EMI, bi lahko negativno vplivalo na druge sosednje elektronske programske opreme, kot je ustvarjanje hrupajočega hrupa v radiu ali podobni občutljivi avdio opremi.

IC-ji z ​​gonilniki LED vam lahko zagotovo nudijo tako analogne kot PWM funkcije zatemnitve, skupaj z dodatnimi funkcijami za spopadanje z EMI, na primer s programirljivo hitrostjo porasta ali faznim premikom izhodnega kanala ali zakasnitvijo skupine.

LED diagnostika in poročanje o napakah

Diagnostika LED, ki vključuje pregrevanje, kratek stik ali prekinitev, je priljubljen predpogoj za oblikovanje, zlasti kadar aplikacija zahteva več LED delovanja. Zmanjšujejo tveganje za okvaro LED, gonilniki LED imajo natančneje reguliran izhodni tok kot diskretni gonilniki na osnovi tranzistorjev.

Poleg tega gonilniki IC vključujejo tudi zaščito pred previsoko temperaturo, da se zagotovi daljša življenjska doba LED in samega vezja gonilnika.

Gonilniki LED, zasnovani za avtomobile, morajo biti opremljeni za odkrivanje napak, na primer LED odprt ali kratek stik. Nekaj ​​aplikacij bo morda zahtevalo tudi nadaljnje ukrepe za preprečevanje zaznane napake.

Na primer modul zadnje luči v avtomobilu vključuje številne nize LED za osvetlitev zadnjih luči in zavornih luči. V primeru, da je v enem od nizov LED zaznana porušena LED napaka, mora biti vezje sposobno izklopiti celotno paleto LED, da se prepreči nadaljnja poškodba preostalih LED.

Ukrep bi uporabnika tudi opozoril na nestandardni razgrajeni LED modul, ki ga je treba odstraniti in poslati proizvajalcu v vzdrževanje.

Moduli za nadzor telesa (BCM)

Da bi lahko uporabniku avtomobila zagotovili diagnostično opozorilo, je inteligentno stikalo na visoki strani v modul za nadzor telesa (BCM) registrira napako skozi element zadnje luči, kot je prikazano na zgornji sliki 12.

Ob tem je lahko zaznavanje napake LED prek BCM zapleteno. Občasno lahko z isto zasnovo plošče BCM zaznate standardno vezje z žarilno nitko ali sistem na osnovi LED, ker je tok LED običajno precej manjši od porabe žarnice z žarilno nitko, pri čemer se razlikuje med logično obremenitvijo LED.

Zaključek

Odprto ali odklopljeno obremenitev je težko prepoznati, če diagnostika trenutnega občutka ni zasnovana natančno. Namesto da bi imeli posamezen odprt niz LED, izklop celotnega niza nizov LED postane lažje zaznaven za BCM za poročanje o odprti situaciji obremenitve. Pogoj, ki zagotavlja, da je v primeru izpada ene LED diode mogoče izvesti merilo okvare vseh LED, da se izklopijo vse LED diode pri odkrivanju ene same napake LED. Avtomobilski linearni gonilniki LED vključujejo funkcijo, ki omogoča reakcijo ena napaka vse napake in lahko prepozna večkratno vodilo napak v več konfiguracijah IC.