Automobiļu LED draiveru shēmas - dizaina analīze

Automašīnās vai automašīnās gaismas diodes ir kļuvušas par vēlamo apgaismojuma izvēli. Neatkarīgi no tā, vai tie ir aizmugurējie aizmugurējie lukturi vai indikatora indikatori klasterī, kā parādīts 1. attēlā, mūsdienās visos ir LED. To kompaktie izmēri palīdz dizaina daudzpusībai un piedāvā iespēju būt tikpat izturīgiem kā paša transportlīdzekļa paredzamais dzīves ilgums.

1. attēls

No otras puses, kaut arī gaismas diodes ir ļoti efektīvas ierīces, tās ir neaizsargātas pret neregulējama sprieguma, strāvas un temperatūras parametru pasliktināšanos, īpaši skarbajā automobiļu ekosistēmā.

Lai varētu uzlabot LED gaismas efektivitāti un pastāvīgumu, LED vadītāja shēmas dizains pieprasa piesardzīgu analīzi.

Elektroniskās shēmas, kas tiek izmantotas kā LED draiveri, pamatā izmanto tranzistorus. Viena standarta ķēdes topoloģija, ko bieži izmanto LED draiveros, ir lineārā topoloģija, kur tranzistors ir paredzēts darbam lineārā reģionā.

Šī topoloģija dod mums iespēju to izgatavot vadītāja shēmas tikai caur tranzistoriem vai izmantojot specializētus IC ar iebūvētiem tranzistoriem un papildu LED uzlabošanas funkcijām.

Atsevišķās lietojumprogrammās parasti ir bipolāri savienojuma tranzistori (BJT), kas ir ļoti pieejami preču produkti.

Neskatoties uz to, ka BJT ir viegli konfigurēt no ķēdes viedokļa, var rasties lielas komplikācijas, vienlaikus radot kopēju LED draiveru risinājumu, kas atbilst pašreizējai vadības precizitātei, PCB izmēram, siltuma pārvaldībai un defektu diagnostikai, kas ir daži svarīgi priekšnoteikumi visā visu darba barošanas sprieguma un temperatūras diapazonu.

Turklāt, tā kā palielinās gaismas diodes , ķēdes dizains, izmantojot atsevišķus BJT posmus, kļūst vēl sarežģītāks.

Salīdzinot ar atsevišķām daļām, piemērojot IC balstītas alternatīvas šķiet ērtāk attiecībā uz shēmas izkārtojumu, bet papildus arī uz dizaina un novērtēšanas procedūrām.

Turklāt vispārējais līdzeklis, iespējams, var būt pat pieejamāks.

Automobiļu LED draiveru projektēšanas parametri

Tāpēc, projektējot LED draiveru shēmas automobiļu apgaismojums lietojumprogrammai ir svarīgi apsvērt LED fokusa punktus, novērtēt ķēžu dizaina alternatīvas un faktorus sistēmas pieprasījumā.

Gaismas diode faktiski ir P veida N tipa (PN) savienojuma diode, kas ļauj strāvai pārvietoties pa to tikai vienā virzienā. Strāva sāk plūst, tiklīdz spriegums pāri gaismas diodei sasniedz minimālo spriegumu uz priekšu (VF).

Gaismas diodes apgaismojuma līmeni vai spilgtumu nosaka priekšējā strāva (IF), savukārt gaismas diodes patērētās strāvas stiprums ir atkarīgs no sprieguma, kas tiek pielietots visā LED.

Pat ja gaismas diodes spilgtums un priekšējā strāva IF ir lineāri saistītas, pat neliels priekšējā sprieguma VF pieaugums visā gaismas diodē var izraisīt strauju LED strāvas ieplūdes eskalāciju.

Gaismas diodēm ar dažādām krāsu specifikācijām ir atšķirīgas VF un IF specifikācijas to īpašo pusvadītāju sastāvdaļu dēļ (2. attēls). Ir jāņem vērā katras gaismas diodes datu lapas specifikācijas, it īpaši vienā ķēdē piemērojot dažādu krāsu gaismas diodes.

2. attēls

Piemēram, izstrādājot ar sarkans-zaļš-zils (RGB) apgaismojums , sarkanā gaismas diode var nākt ar priekšu sprieguma vērtībai aptuveni 2 V, bet zilajai un zaļajai gaismas diodei tas pats varētu būt aptuveni 3 līdz 4 V.

Ņemot vērā to, ka jūs darbināt šīs gaismas diodes no viena kopēja sprieguma avota, jums var būt nepieciešams labi aprēķināts strāvu ierobežojošais rezistors katrai krāsainajai gaismas diodei, lai izvairītos no gaismas diožu pasliktināšanās.

Siltuma un enerģijas efektivitāte

Līdztekus barošanas spriegumam un strāvas parametriem arī temperatūra un enerģijas efektivitāte prasa rūpīgu analīzi. Lai gan lielākā daļa strāvas, kas tiek pielietota gaismas diodē, tiek pārveidota par LED gaismu, neliels enerģijas daudzums ierīces PN krustojumā tiek pārvērsts siltumā.

LED krustojumā radīto temperatūru var nopietni ietekmēt daži ārējie parametri, piemēram:

• pēc atmosfēras temperatūras (TA),
• ar siltuma pretestību starp LED savienojumu un apkārtējo gaisu (RθJA),
• un ar jaudas izkliedi (PD).

Šis vienādojums parāda gaismas diodes jaudas izkliedes spec PD:

PD = VF × IF ------------ Eq # 1

Izmantojot iepriekš minēto, mēs varam tālāk iegūt šādu vienādojumu, kas aprēķina gaismas diodes savienojuma temperatūru (TJ):

TJ = TA + RθJA × PD ---------- Eq # 2

Ir svarīgi noteikt TJ ne tikai normālos darba apstākļos, bet arī saskaņā ar projekta absolūto maksimālo apkārtējās temperatūras TA, ņemot vērā vissliktākā scenārija bažas.

Palielinoties LED krustojuma temperatūrai TJ, pasliktinās tā darba efektivitāte. Lai aizsargātu pret iznīcināšanu, gaismas diodes priekšējai strāvas IF un krustojuma temperatūrai TJ jāpaliek zem absolūtās maksimālās vērtības, kā klasificēts datu lapās (3. attēls).

3. attēls

Papildus gaismas diodēm jums jāņem vērā arī rezistoru un tādu piedziņas elementu kā BJT un operatīvie pastiprinātāji (op ampēri) jaudas efektivitāte, īpaši palielinoties diskrēto komponentu skaitam.

Nepietiekama vadītāja pakāpju jaudas efektivitāte, LED ieslēgšanās laiks un / vai apkārtējā temperatūra var izraisīt ierīces temperatūras paaugstināšanos, ietekmējot BJT vadītāja pašreizējo jaudu un samazinot gaismas diodes VF kritumu .

Tā kā temperatūras paaugstināšanās samazina gaismas diodes sprieguma kritumu uz priekšu, gaismas diodes pašreizējais patēriņa ātrums palielinās, kas proporcionāli palielina enerģijas izkliedi PD un temperatūru, un tas vēl vairāk samazina gaismas diodes priekšējā sprieguma kritumu VF.

Šis nepārtrauktas temperatūras paaugstināšanās cikls, ko dēvē arī par “termisko bēgšanu”, liek gaismas diodēm darboties virs optimālās darba temperatūras, izraisot ātru ierīces degradāciju un kādā brīdī ierīces atteici paaugstināta IF patēriņa līmeņa dēļ. .

Lineārie LED draiveri

Gaismas diodes darbojas lineāri caur tranzistoriem vai IC, patiesībā ir diezgan ērti. Starp visām iespējām visvienkāršākā pieeja LED vadībai parasti ir tā savienošana tieši ar barošanas sprieguma avotu (VS).

Pareizais strāvu ierobežojošais rezistors ierobežo ierīces pašreizējo piesaisti un nosaka precīzu sprieguma kritumu LED. Sērijveida rezistora (RS) vērtības noteikšanai var izmantot šādu 3. vienādojumu:

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

Atsaucoties uz 4. attēlu, mēs redzam, ka 3 gaismas diodes tiek izmantotas sērijveidā, aprēķinot VF, jāņem vērā viss sprieguma kritums VF pāri 3 gaismas diodēm (gaismas diodes priekšējā strāva IF paliek nemainīga.)

4. attēls

Lai gan šī var būt vienkāršākā LED draivera konfigurācija, reālajā dzīvē tā var būt diezgan nepraktiska.

Barošanas avoti, īpaši automobiļu akumulatori, ir jutīgi pret sprieguma svārstībām.

Neliels piegādes ieejas pieaugums izraisa gaismas diode pievilkt lielāku strāvas daudzumu un tādējādi iznīcināt.

Turklāt pārmērīga jaudas izkliedēšana PD rezistorā palielina ierīces temperatūru, kas var izraisīt termisko aizplūšanu.

Diskrēti pastāvīgas strāvas LED draiveri lietošanai automašīnās

Ja tiek izmantota nemainīgas strāvas funkcija, tā nodrošina uzlabotu energoefektīvu un uzticamu izkārtojumu. Tā kā visizplatītākā LED darbības tehnika ir ieslēgšanas un izslēgšanas pārslēgšana, tranzistors nodrošina labi regulētu strāvas padevi.

5. attēls

Atsaucoties uz 5. attēlu iepriekš, var būt iespējams izmantot vai nu BJT, vai MOSFET, pamatojoties uz sprieguma un strāvas specifikācijām LED konfigurācijā. Transistori viegli apstrādā lielāku jaudu nekā rezistors, tomēr ir jutīgi pret sprieguma kāpumiem un kritumiem, kā arī temperatūras svārstībām. Piemēram, palielinoties spriegumam ap BJT, proporcionāli palielinās arī tā strāva.

Lai garantētu papildu stabilitāti, ir iespējams pielāgot šīs BJT vai MOSFET shēmas, lai nodrošinātu pastāvīgu strāvu, neskatoties uz to, ka barošanas spriegumā nav nelīdzsvarotības.

LED strāvas avota projektēšana

6. līdz 8. attēlā parādīti daži strāvas avota ķēžu ilustrācijas.

6. attēlā Zenera diode rada stabilu izejas spriegumu tranzistora pamatnē.

Strāvu ierobežojošais rezistors RZ nodrošina kontrolētu strāvu, lai Zenera diode varētu darboties pareizi.

Neskatoties uz barošanas sprieguma svārstībām, Zenera diodes izeja rada nemainīgu spriegumu.

Sprieguma kritumam virs izstarotāja rezistora RE vajadzētu papildināt Zenera diode sprieguma kritumu, tāpēc tranzistors noregulē kolektora strāvu, kas nodrošina, ka strāva caur gaismas diodēm vienmēr paliek nemainīga.

Op Amp atgriezeniskās saites izmantošana

Zemāk 7. attēlā ir parādīta op amp ķēde ar atgriezenisko saiti, lai izveidotu ideālu automobiļu LED kontroliera ķēdi. Atgriezeniskās saites savienojums nodrošina, ka izeja tiek automātiski pielāgota, lai tās negatīvajā ieejā attīstītais potenciāls paliktu vienāds ar tā pozitīvo atsauces ieeju.

Zenera diode tiek piestiprināta, lai ģenerētu atskaites spriegumu op amp neinvertējošajā ieejā. Gadījumā, ja gaismas diodes strāva pārsniedz iepriekš noteiktu vērtību, tā attīsta proporcionālu sprieguma daudzumu jutekļu rezistorā RS, kas mēģina pārsniegt zenera atsauces vērtību.

Tā kā tas izraisa spriegumu pie op amp negatīvās invertējošās ieejas, pārsniedz pozitīvo zener vērtību, spiež op amp izeju izslēgt, kas savukārt samazina LED strāvu un arī spriegumu visā RS.

Šī situācija atkal atjauno op amp izeju, lai ieslēgtu stāvokli un aktivizētu LED, un šī op amp pašregulējošā darbība turpina bezgalīgi nodrošināt, ka LED strāva nekad nepārsniedz aprēķināto nedrošo līmeni.

Iepriekš 8. attēlā parādīts vēl viens uz atgriezenisko saiti balstīts dizains, kas veikts, izmantojot pāris BJT. Šeit strāva plūst ar R1 palīdzību, ieslēdzot tranzistoru Q1. Strāva turpina pārvietoties caur R2, kas fiksē pareizo strāvas daudzumu caur gaismas diodēm.

Gadījumā, ja šī LED strāva caur R2 mēģina pārsniegt iepriekš noteikto vērtību, sprieguma kritums visā R2 arī proporcionāli palielinās. Brīdī, kad šis sprieguma kritums palielinās līdz tranzistora Q2, Q2, Q2 spriegumam no bāzes uz emitentu (Vbe), Q2 sāk ieslēgties.

Ieslēdzot Q2, tagad sākas strāvas novilkšana caur R1, liekot Q1 sākt izslēgties, un stāvoklis turpina pašregulēt strāvu caur LED, nodrošinot, ka LED strāva nekad nepārsniedz nedrošo līmeni.

Šis tranzistorizēts strāvas ierobežotājs ar atgriezenisko saiti garantē pastāvīgu strāvas padevi gaismas diodēm atbilstoši aprēķinātajai R2 vērtībai. Iepriekš minētajā piemērā BJT ir ieviesti, taču, neskatoties uz to, šajā ķēdē ir iespējams izmantot arī MOSFET lielākas strāvas lietojumprogrammām.

Pastāvīgas strāvas LED draiveri, izmantojot integrētās shēmas

Šos būtiskos uz tranzistoriem balstītos celtniecības blokus var viegli atkārtot, lai darbinātu vairākas LED virknes, kā parādīts 9. attēlā.

Kontrolēt grupas LED virknes ātri izraisa komponentu skaita pieaugumu, aizņemot lielāku vietu PCB un patērējot vairāk vispārējas nozīmes ievades / izvades (GPIO) tapu.

Turklāt šādās konstrukcijās pamatā nav spilgtuma kontroles un defektu diagnostikas apsvērumu, kas ir būtiskas vajadzības lielākajai daļai enerģijas LED lietojumprogrammu.

Lai iekļautu tādas specifikācijas kā spilgtuma kontrole un defektu diagnostika, nepieciešams papildu diskrēto komponentu skaits un pievienotas dizaina analīzes procedūras.

LED dizains, kas ietver lielāks gaismas diožu skaits , izraisa diskrētu shēmu dizainu, kas ietver lielāku daļu skaitu, palielinot ķēdes sarežģītību.

Lai racionalizētu projektēšanas procesu, tiek uzskatīts, ka visefektīvāk to piemērot specializēti IC, kas darbojas kā LED draiveri . Daudzus atsevišķus komponentus, kā norādīts 9. attēlā, varētu padarīt vienkāršāku, izmantojot IC balstītu LED draiveri, kā parādīts 10. attēlā.

10. attēls

LED draiveru mikroshēmas ir īpaši paredzētas LED kritiskā sprieguma, strāvas un temperatūras specifikāciju novēršanai, kā arī detaļu skaita un dēļu izmēru samazināšanai.

Turklāt LED draiveru IC var būt papildu funkcijas spilgtuma kontrolei un diagnostikai, tostarp aizsardzībai pret pārkaršanu. Tas nozīmē, ka var būt iespējams sasniegt iepriekš minētās uzlabotās funkcijas, izmantojot arī atsevišķus uz BJT balstītus dizainus, taču IC šķiet salīdzinoši vieglāka alternatīva.

Izaicinājumi automobiļu LED lietojumprogrammās

Daudzos automobiļu LED ieviešanas gadījumos spilgtuma kontrole kļūst par būtisku nepieciešamību.

Tā kā IF virzīšana uz priekšu, izmantojot gaismas diode, proporcionāli pielāgo spilgtuma līmeni, rezultātu sasniegšanai var izmantot analogo dizainu. LED spilgtuma vadības digitālā metode ir PWM vai impulsa platuma modulācija. Turpmāk sniegtajās detaļās analizēti abi jēdzieni un parādīts, kā tos var izmantot automobiļu LED lietojumprogrammām

Atšķirība starp analogo un PWM LED spilgtuma vadību

11. attēlā novērtēta galvenā atšķirība starp analogajām un digitālajām LED spilgtuma kontroles metodēm.

11. attēls

Izmantojot analogo LED spilgtuma kontroli, LED apgaismojums tiek mainīts caur plūstošās strāvas lielumu. Lielāka strāva palielina spilgtumu un otrādi.

Bet analogās aptumšošanas vai spilgtuma vadības kvalitāte nav apmierinoša, īpaši zemākā spilgtuma diapazonā. Analogais aptumšojums parasti nav piemērots krāsu atkarīgām LED lietojumprogrammām, piemēram, RGB apgaismojumam vai statusa indikatoriem, jo ​​atšķirīgais IF mēdz ietekmēt LED krāsu izvadi, izraisot sliktu krāsu izšķirtspēju no RGB gaismas diodēm.

Turpretī PWM balstīti LED gaismas regulatori nemainiet gaismas diodes priekšējo strāvu IF, drīzāk kontrolē intensitāti, mainot LED ieslēgšanas / izslēgšanas pārslēgšanās ātrumu. Pēc tam vidējā ieslēgšanās laika LED strāva nosaka proporcionālo spilgtumu uz LED. To sauc arī par darba ciklu (impulsa platuma attiecība pret PWM impulsa intervālu). Izmantojot PWM, lielāks darba cikls rada lielāku vidējo strāvu caur LED, kas rada lielāku spilgtumu un otrādi.

Sakarā ar to, ka jūs varat precīzi pielāgot darba ciklu dažādiem apgaismojuma diapazoniem, PWM aptumšošana palīdz sasniegt daudz plašāku aptumšošanas koeficientu salīdzinājumā ar analogo aptumšošanu.

Lai gan PWM garantē uzlabotu spilgtuma kontroles izvadi, tas prasa vairāk dizaina analīzes. PWM frekvencei jābūt daudz augstākai, nekā mūsu redze var uztvert, pretējā gadījumā gaismas diodes var parādīties kā mirgojošas. Turklāt PWM dimmeru shēmas ir pazīstamas ar elektromagnētisko traucējumu (EMI) radīšanu.

LED draiveru traucējumi

Automašīnas LED draiveru shēma, kas izveidota ar nepietiekamu EMI vadību, var nelabvēlīgi ietekmēt citas blakus esošās elektroniskās programmatūras, piemēram, radio vai līdzīgas jutīgas audio iekārtas radītu trokšņa radīšanu.

LED draiveru mikroshēmas noteikti var nodrošināt gan analogās, gan PWM aptumšošanas funkcijas, kā arī papildu funkcijas, lai novērstu EMI, piemēram, programmējams apgriezienu skaits vai izejas kanāla fāzes nobīde vai grupas aizkave.

LED diagnostika un kļūdu ziņošana

LED diagnostika, kas ietver pārkaršanu, īssavienojumu vai atvērtu ķēdi, ir populārs dizaina priekšnoteikums, it īpaši, ja lietojumprogramma prasa vairāku LED darbību. Samazinot LED nepareizas darbības risku, LED draiveriem ir lielāka precizitāte ar regulētu izejas strāvu nekā uz tranzistoriem balstītiem diskrētajiem vadītājiem.

Līdz ar to IC draiveri papildus iekļauj aizsardzību pret pārkaršanu, lai nodrošinātu lielāku gaismas diožu un pašas vadītāja ķēdes paredzamo ekspluatācijas ilgumu.

Automašīnām paredzētiem LED draiveriem jābūt aprīkotiem, lai noteiktu kļūdas, piemēram, LED atvērtu vai īssavienojumu. Dažām lietojumprogrammām var būt nepieciešami arī papildu pasākumi, lai novērstu konstatēto kļūdu.

Piemēram, automašīnas aizmugurējo lukturu modulis ietver vairākas gaismas diodes, lai apgaismotu aizmugurējos un bremžu lukturus. Gadījumā, ja kādā no LED virknēm tiek atklāts bojāts LED bojājums, ķēdei jāspēj izslēgt visu gaismas diožu masīvu, lai nodrošinātu, ka var novērst turpmāku pārējo gaismas diožu bojājumus.

Darbība arī brīdinās lietotāju par nestandarta degradētu LED moduli, kas jāinstalē un jānosūta ražotājam apkopei.

Virsbūves vadības moduļi (BCM)

Lai automašīnas lietotājam varētu sniegt diagnostikas trauksmi, viedais augstās puses slēdzis virsbūves vadības modulis (BCM) reģistrē bojājumu, izmantojot aizmugurējā apgaismojuma elementu, kā parādīts iepriekš 12. attēlā.

To sakot, LED kļūdas identificēšana, izmantojot BCM, varētu būt sarežģīta. Dažreiz jūs varat izmantot to pašu BCM plātņu dizainu, lai noteiktu standarta kvēlspuldzes bāzes shēmu vai uz LED balstītu sistēmu, jo LED strāva parasti ir ievērojami mazāka pretstatā kvēlspuldzes patēriņam, atšķirot loģisko LED slodzi.

Secinājums

Atklātu vai atvienotu slodzi varētu būt grūti noteikt, ja pašreizējās nozīmes diagnostika nav izstrādāta precīzi. Tā vietā, lai būtu atsevišķa atvērta LED virkne, visas LED virkņu virknes izslēgšana BCM kļūst vieglāk nosakāma, lai ziņotu par atvērtu slodzes situāciju. Nosacījums, kas nodrošina, ka, ja viena LED nedarbojas, tad visu LED nedarbojas kritēriju var izpildīt, lai izslēgtu visas gaismas diodes, atklājot vienu LED kļūdu. Automobiļu lineārie LED draiveri ietver funkciju, kas ļauj reaģēt ar vienu kļūmi - visa kļūme un var identificēt kopēju kļūdu kopni vairākās IC konfigurācijās.