Gépjármű-LED-meghajtó áramkörök - tervezés elemzése

Autókban vagy gépjárművekben a LED-ek a világítás preferált választásává nőtték ki magukat. Legyen szó a hátsó hátsó lámpákról vagy a fürt visszajelző lámpáiról, amint az az 1. ábrán látható, manapság mind LED-ek vannak. Kompakt méreteik hozzájárulnak a tervezés sokoldalúságához, és felajánlják, hogy ugyanolyan tartósak legyenek, mint maga a jármű várható élettartama.

1.ábra

Másrészt, annak ellenére, hogy a LED-ek nagyon hatékony eszközök, érzékenyek a szabályozatlan feszültség, áramerősség és hőmérsékleti paraméterek romlására, különösen a zord autóipari ökoszisztémában.

A LED fényhatékonyságának és állandóságának növelése érdekében LED meghajtó áramkör kialakítása óvatos elemzést követel.

A LED meghajtóként alkalmazott elektronikus áramkörök alapvetően a tranzisztorokat használják. A LED-meghajtókban gyakran használt egyik áramköri topológia a lineáris topológia, ahol a tranzisztort úgy tervezték, hogy a lineáris régióban működjön.

Ez a topológia megadja nekünk a készítés lehetőségét meghajtó áramkörök csak tranzisztorokon keresztül vagy beépített tranzisztorokkal és további LED-javító funkciókkal ellátott speciális IC-k használatával.

Diszkrét alkalmazásokban a bipoláris csomópontú tranzisztorok (BJT), amelyek rendkívül hozzáférhető árutermékek, általában a kedvencek.

Annak ellenére, hogy a BJT-k áramkör szempontjából egyszerűen konfigurálhatók, komoly bonyodalmak tapasztalhatók, miközben létrehozunk egy teljes LED-meghajtó megoldást, amely teljesíti az aktuális vezérlés pontosságát, a NYÁK méretét, a hőkezelést és a hibadiagnosztikát, amelyek néhány fontos előfeltétele az egész a teljes üzemi tápfeszültség és hőmérséklet-tartomány.

Továbbá, mivel a növekszik a LED-ek száma , az áramköri tervezés diszkrét BJT szakaszok alkalmazásával még kifinomultabbá válik.

A diszkrét részekhez képest alkalmazva IC alapú alternatívák úgy tűnik, hogy kényelmesebb az áramkör elrendezése, de ezen felül a tervezési és kiértékelési eljárások.

Emellett az általános gyógymód talán még megfizethetőbb.

Az autóipari LED-meghajtók tervezésének paraméterei

Ezért amikor egy LED meghajtó áramkört tervez egy autó világítás alkalmazás szempontjából elengedhetetlen a LED-es fókuszpontok átgondolása, az áramkörtervezés alternatíváinak és a rendszerigényekben szereplő tényezők értékelése.

A LED valójában egy P típusú N típusú (PN) csatlakozási dióda, amely lehetővé teszi, hogy az áram csak egyetlen irányban mozogjon rajta. Az áram elkezd áramlani, amint a LED-en lévő feszültség eléri a minimális előrefeszültséget (VF).

A LED megvilágításának szintjét vagy fényerejét az előremenő áram (IF) határozza meg, míg a LED mennyi áramot fogyaszt, a LED-en alkalmazott feszültségtől függ.

Annak ellenére, hogy a LED fényereje és az IF előremenő áram lineárisan összefügg egymással, még a VD előtti VF feszültség kismértékű növekedése is kiválthatja a LED áramfelvételének gyors növekedését.

A különböző színjellemzőkkel rendelkező LED-eknek különféle félvezető-összetevőiknek köszönhetően eltérő VF és IF specifikációi vannak (2. ábra). Figyelembe kell venni az egyes LED-ek adatlapjának specifikációit, különös tekintettel az egyes áramkörökön belül különböző színű LED-ek alkalmazására.

2. ábra

Például a piros-zöld-kék (RGB) világítás , egy piros LED előremenő feszültsége 2 V körüli lehet, míg a kék és zöld LED esetében 3-4 V körüli érték lehet.

Figyelembe véve, hogy ezeket a LED-eket egyetlen közös feszültségforrásból működteti, szükség lehet egy jól kiszámított értékre áramkorlátozó ellenállás mindegyik színes LED-hez, hogy elkerülje a LED romlását.

Hő- és energiahatékonyság

A tápfeszültség és az áram paraméterei mellett a hőmérséklet és az energiahatékonyság is alapos elemzést igényel. Bár a LED-en keresztül alkalmazott áram nagy része LED-fénnyé alakul át, a készülék PN csomópontján belül kis mennyiségű energia válik hővé.

A LED-kereszteződésben keletkező hőmérsékletet néhány külső paraméter komolyan befolyásolhatja, például:

• a légköri hőmérséklet (TA) szerint,
• a LED-csatlakozás és a környezeti levegő közötti hőellenállással (RθJA),
• és az energiaeloszlás (PD) által.

A következő 1. egyenlet feltárja a LED teljesítményveszteségének specifikációját:

PD = VF × IF ------------ 1. egyenlet

A fentiek segítségével levezethetjük a következő egyenletet, amely kiszámítja a LED csatlakozási hőmérsékletét (TJ):

TJ = TA + RθJA × PD ---------- 2. egyenlet

Elengedhetetlen a TJ meghatározása nemcsak normál munkakörülmények között, hanem a tervezés abszolút maximális környezeti hőmérséklete mellett is, figyelembe véve a legrosszabb esetekkel kapcsolatos aggályokat.

A TJ LED-csatlakozási hőmérséklet növekedésével a munka hatékonysága romlik. A LED előremenő áramának és a TJ csatlakozási hőmérsékletének az adatlapok által osztályozott abszolút maximális érték alatt kell maradnia, hogy megvédje a pusztulástól (3. ábra).

3. ábra

A LED-ek mellett figyelembe kell venni az ellenállások és a meghajtó elemek, például a BJT-k és a működési erősítők (op erősítők) energiahatékonyságát is, különösképpen a diszkrét alkatrészek mennyiségének növekedésével.

A vezető szakaszainak, a LED bekapcsolási időtartamának és / vagy a környezeti hőmérsékletnek a nem megfelelő energiahatékonysága, ezek a tényezők mind az eszköz hőmérsékletének emelkedéséhez vezethetnek, befolyásolva a BJT meghajtó áramkimenetét és csökkentve a LED-ek VF-csökkenését .

Mivel a hőmérséklet emelkedése csökkenti a LED-ek előre történő feszültségesését, a LED áramfogyasztási aránya növekszik, ami a PD és a hőmérséklet arányosan megnövekedett vezetéséhez vezet, és ez további csökkenést okoz a LED VF feszültségesésének csökkenésében.

Ez a folyamatos hőemelkedési ciklus, amelyet „termikus elszabadulásnak” is neveznek, arra kényszeríti a LED-eket, hogy az optimális üzemi hőmérséklet felett működjenek, ami az IF fogyasztásának megnövekedett szintje miatt gyors lebomlást és egy ponton a készülék meghibásodását okozza. .

Lineáris LED meghajtók

A LED-ek lineáris működtetése akár tranzisztorokon, akár IC-ken keresztül valójában nagyon kényelmes. Minden lehetőség közül a LED-ek vezérlésének legegyszerűbb megközelítése általában az, hogy közvetlenül a tápfeszültség-forráson (VS) keresztül kapcsolják be.

A megfelelő áramkorlátozó ellenállás birtoklása korlátozza az eszköz áramfelvételét és rögzíti a LED pontos feszültségesését. A következő 3. egyenlet használható a soros ellenállás (RS) értékének kidolgozására:

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

A 4. ábrára hivatkozva azt látjuk, hogy 3 LED-et használnak sorba, a VF kiszámításakor figyelembe kell venni a teljes LED-es VF feszültségesést a 3 LED-en (a LED előre eső IF-je állandó marad.)

4. ábra

Bár ez lehet a legegyszerűbb LED-illesztőprogram konfiguráció, a valós megvalósításban meglehetősen gyakorlatias lehet.

A tápegységek, különösen az autóipari akkumulátorok érzékenyek a feszültségingadozásokra.

A tápfeszültség kismértékű növekedése arra indítja a LED-et, hogy nagyobb áramot vonjon le, és ennek következtében megsemmisüljön.

Ezenkívül az ellenállás túlzott PD-elvezetése megnöveli az eszköz hőmérsékletét, ami termikus elszabadulást okozhat.

Diszkrét állandó áramú LED-meghajtók autóipari alkalmazásokhoz

Állandó áramerősség használatakor fokozott energiatakarékos és megbízható elrendezést biztosít. Mivel a LED-ek működtetésének legelterjedtebb technikája a be- és kikapcsolás, a tranzisztor jól szabályozott áramellátást tesz lehetővé.

5. ábra

A fenti 5. ábrára hivatkozva lehetséges lehet egy BJT vagy egy MOSFET kiválasztása, a LED konfiguráció feszültség- és áramerőssége alapján. A tranzisztorok könnyebben kezelik az ellenálláshoz képest nagyobb teljesítményt, ugyanakkor érzékenyek a feszültség emelkedéseire és hőmérséklet-ingadozásaira. Például, amikor a BJT körüli feszültség emelkedik, annak árama is arányosan növekszik.

A további stabilitás garantálása érdekében ezek a BJT vagy MOSFET áramkörök testreszabhatók, hogy állandó áramot szolgáltassanak annak ellenére, hogy a tápfeszültség egyensúlyhiányos.

LED áramforrás tervezése

A 6–8. Ábra néhány áramforrás áramkör ábrát mutat be.

A 6. ábrán egy Zener-dióda stabil kimeneti feszültséget generál a tranzisztor alapjába.

Az RZ áramkorlátozó ellenállás biztosítja a vezérelt áramot, hogy a Zener dióda megfelelően működjön.

A Zener dióda kimenete állandó feszültséget produkál a tápfeszültség ingadozása ellenére is.

Az RE sugárzó ellenállás feletti feszültségesésnek ki kell egészítenie a Zener dióda feszültségesését, ezért a tranzisztor beállítja a kollektor áramát, amely biztosítja, hogy a LED-eken keresztüli áram mindig állandó maradjon.

Op Amp visszajelzés használata

Az alábbi 7. ábrán egy visszacsatoló hurokkal ellátott op amp áramkör látható, amely ideális autóipari LED vezérlő áramkört eredményez. A visszacsatolási kapcsolat biztosítja, hogy a kimenet automatikusan beállítható legyen annak érdekében, hogy a negatív bemenetén kialakult potenciál megegyezzen a pozitív referencia bemenetével.

A Zener-dióda be van szorítva, hogy referenciafeszültséget hozzon létre az op erősítő nem invertáló bemenetén. Abban az esetben, ha a LED-ek árama meghaladja az előre meghatározott értéket, akkor az RS érzékelőellenálláson arányos feszültség alakul ki, amely megpróbálja meghaladni a zener referenciaértékét.

Mivel ez azt eredményezi, hogy az op erősítő negatív invertáló bemenetén a feszültség meghaladja a pozitív referencia zener értéket, az op erősítő kimenetét KIKAPCSOLÁSRA kényszeríti, ami viszont csökkenti a LED áramát és az RS teljes feszültségét is.

Ez a helyzet ismét visszaállítja az op erősítő kimenetét az BE állapotra és aktiválja a LED-et, és az op erősítőnek ez az önbeállítási művelete végtelenül folytatódik, biztosítva, hogy a LED áram soha ne haladja meg a számított nem biztonságos szintet.

A fenti 8. ábra még egy visszacsatoláson alapuló tervet szemléltet, amelyet néhány BJT-vel hajtottak végre. Itt az áram R1 segítségével áramlik, és bekapcsolja a Q1 tranzisztort. Az áram tovább halad R2-n keresztül, amely rögzíti a LED-eken keresztül a megfelelő árammennyiséget.

Abban az esetben, ha ez az R2-en keresztüli LED-áram megpróbálja meghaladni az előre meghatározott értéket, az R2-n keresztüli feszültségesés is arányosan növekszik. Abban a pillanatban, amikor ez a feszültségesés felemelkedik a Q2, Q2 tranzisztor bázis-emitter feszültségére (Vbe), elkezd bekapcsolni.

Bekapcsolt állapotban a Q2 most elkezd áramot húzni az R1-en keresztül, arra kényszerítve a Q1-et, hogy elkezdjen kikapcsolni, és az állapot folyamatosan beállítja az áramot a LED-en keresztül, biztosítva, hogy a LED-áram soha ne lépje túl a nem biztonságos szintet.

Ez tranzisztoros áramkorlátozó visszacsatoló hurokkal garantálja a LED-ek állandó áramellátását az R2 számított értéke szerint. A fenti példában a BJT-k megvalósításra kerülnek, de ennek ellenére megvalósítható a MOSFET-ek használata ebben az áramkörben nagyobb áramú alkalmazásokhoz is.

Állandó áramú LED-meghajtók integrált áramkörökkel

Ezek az alapvető tranzisztor alapú építőelemek könnyen megismételhetők több LED-húr működtetésére, amint az a 9. ábrán látható.

A. Csoportjának ellenőrzése LED húrok gyorsan megnöveli az alkatrészszámot, nagyobb helyet foglal el a NYÁK-on, és több általános célú bemeneti / kimeneti (GPIO) csapot emészt fel.

Ezenkívül az ilyen kialakítások alapvetően fényerő-szabályozással és hibadiagnosztikai szempontokkal nem rendelkeznek, amelyek a legtöbb LED-es alkalmazáshoz elengedhetetlenül szükségesek.

A specifikációk - például a fényerő-szabályozás és a hibadiagnosztika - beépítéséhez további számú különálló alkatrészre és további elemzési eljárásokra van szükség.

LED-ek, amelyek tartalmazzák nagyobb számú LED , azt eredményezi, hogy a diszkrét áramköri tervek nagyobb számú alkatrészt tartalmaznak, ami növeli az áramkör összetettségét.

A tervezési folyamat ésszerűsítése érdekében azt tartják a leghatékonyabbnak speciális IC-k, amelyek LED-meghajtóként működnek . A 9. ábrán látható sok különálló alkatrész megkönnyíthető egy IC alapú LED meghajtóval, amint az a 10. ábrán látható.

10. ábra

A LED meghajtó IC-ket kifejezetten a LED-ek kritikus feszültségének, áram- és hőmérséklet-specifikációinak kezelésére, valamint az alkatrészek számának és a lemez méreteinek minimalizálására tervezték.

Ezenkívül a LED meghajtó IC-k további funkciókkal is rendelkezhetnek a fényerő szabályozásához és a diagnosztikához, beleértve a túlmelegedés elleni védelmet is. Mindazonáltal lehetséges, hogy a fenti fejlett funkciókat diszkrét BJT alapú tervezéssel is megvalósíthatjuk, de az IC-k összehasonlításban könnyebb alternatívának tűnnek.

Kihívások az autóipari LED alkalmazásokban

Számos autóipari LED megvalósításban a fényerő szabályozása elengedhetetlenné válik.

Mivel az IF áramának a LED-en keresztüli beállítása a fényerő arányos beállítását teszi lehetővé, az eredmények eléréséhez analóg kivitel is alkalmazható. A LED fényerő-szabályozásának digitális módszere a PWM vagy az impulzusszélesség modulációja. Az alábbi részletek elemzik a két fogalmat, és megmutatják, hogyan lehet őket alkalmazni autóipari LED alkalmazásokhoz

Különbség az analóg és a PWM LED fényerő-szabályozása között

A 11. ábra a LED-es fényerő szabályozásának analóg és digitális módszerei közötti fő különbséget értékeli.

11. ábra

Az analóg LED fényerő-szabályozásának használatával a LED megvilágítását az áramló áram nagysága változtatja meg. A nagyobb áram növeli a fényerőt és fordítva.

De az analóg elsötétítés vagy a fényerő-szabályozás minősége nem kielégítő, különösen alacsonyabb fényerő-tartományokban. Az analóg tompítás általában nem megfelelő a színfüggő LED-es alkalmazásokhoz, például az RGB világításhoz vagy az állapotjelzőkhöz, mivel a változó IF hatással van a LED színkimenetére, gyenge színfelbontást okozva az RGB LED-ektől.

Ellentétben, PWM alapú LED-szabályozók ne változtassa meg a LED előre áram IF-jét, inkább a LED-ek ON / OFF kapcsolási sebességének változtatásával szabályozza az intenzitást. Ezután az átlagos ON idő LED áram határozza meg a LED arányos fényerejét. Munkakörnek is nevezzük (az impulzusszélesség aránya a PWM impulzusintervallumán). A PWM révén a magasabb munkaciklus nagyobb átlagos áramot eredményez a LED-en keresztül, ami nagyobb fényerőt eredményez, és fordítva.

Annak a ténynek köszönhetően, hogy finoman módosíthatja az üzemi ciklust a különböző megvilágítási tartományok között, a PWM fényerő-szabályozás az analóg tompításhoz képest sokkal szélesebb tompítási arány elérését segíti elő.

Bár a PWM garantálja a fokozott fényerő-szabályozási kimenetet, több tervelemzést igényel. A PWM frekvenciának sokkal nagyobbnak kell lennie, mint amit látásunk képes érzékelni, különben a LED-ek úgy jelennek meg, mintha villognának. Továbbá a PWM dimmer áramkörök köztudottan elektromágneses interferenciát (EMI) generálnak.

A LED-illesztőprogramok interferenciája

A nem megfelelő EMI vezérléssel felépített autóipari LED-meghajtó áramkör hátrányosan befolyásolhatja a szomszédos más elektronikus szoftvereket, például a rádióban vagy hasonló érzékeny hangberendezésekben zúgó zaj keletkezését.

A LED meghajtó IC-k minden bizonnyal analóg és PWM fényerő-csökkentési funkciókat is nyújtanak Önnek, valamint az EMI kezelésére szolgáló kiegészítő funkciókkal, például programozható megfordítási sebességgel, vagy a kimeneti csatorna fáziseltolásával vagy csoportos késleltetéssel.

LED diagnosztika és hibajelentés

A túlmelegedést, rövidzárlatot vagy nyitott áramkört magában foglaló LED-diagnosztika népszerű tervezési előfeltétel, különösen akkor, ha az alkalmazás több LED-es működést igényel. Minimalizálva a LED meghibásodásának kockázatát, a LED meghajtók nagyobb pontossággal rendelkeznek a szabályozott kimeneti árammal, mint a tranzisztor alapú különálló meghajtók.

Ezzel párhuzamosan az IC meghajtók beépítik a túlmelegedés elleni védelmet a LED-ek és maga a meghajtó áramkör magasabb működési élettartamának biztosítása érdekében.

Az autókhoz tervezett LED-meghajtókat fel kell szerelni a hibák, például a megszakadt LED-ek vagy rövidzárlatok észlelésére. Néhány alkalmazás szükségessé teheti a nyomon követési intézkedéseket az észlelt hibák kiküszöbölésére.

Például egy hátsó lámpamodul számos LED-húrot tartalmaz a hátsó lámpák és a féklámpák megvilágításához. Abban az esetben, ha az egyik LED-húrban tönkrement LED-hibát észlelnek, akkor az áramkörnek képesnek kell lennie a LED-ek teljes tömbjének kikapcsolására annak érdekében, hogy elkerülhető legyen a többi LED további károsodása.

Ez a művelet figyelmezteti a felhasználót a nem szabványos állapotú LED-modulra is, amelyet el kell távolítani, és karbantartás céljából el kell küldeni a gyártónak.

Testvezérlő modulok (BCM)

Annak érdekében, hogy diagnosztikai riasztást tudjon adni az autó használójának, intelligens magas oldali kapcsolót kell a karosszéria vezérlő modul (BCM) regisztrálja a hibát a hátsó lámpaelemen keresztül, amint azt a fenti 12. ábra szemlélteti.

Ennek ellenére a LED hiba azonosítása a BCM-en keresztül bonyolult lehet. Előfordulhat, hogy ugyanazt a BCM alaplapot alkalmazza egy szabványos izzólámpa-alapú áramkör vagy egy LED-alapú rendszer észlelésére, mivel a LED-áram általában lényegesen kisebb, szemben az izzólámpa-fogyasztással, megkülönböztetve a logikus LED-terhelést.

Következtetés

Nehéz lehet meghatározni egy nyitott vagy leválasztott terhelést, ha az áramérzékelő diagnosztika nincs pontosan megtervezve. Ahelyett, hogy egyedi nyitott LED-karakterláncot használna, a teljes LED-húr kikapcsolása a BCM számára könnyebben felismerhetővé teszi a nyitott terhelési helyzet jelentését. Feltétel, amely biztosítja, hogy ha az egyik LED meghibásodik, akkor az összes LED meghibásodási kritériuma végrehajtható az összes LED kikapcsolására egyetlen LED hiba észlelésekor. A gépjárművek lineáris LED-illesztőprogramjai tartalmazzák azt a funkciót, amely lehetővé teszi az egyetlen hibát-minden hibát reakciót, és azonosíthat egy közös hibasínt az összes IC-konfigurációban.