Circuits de conductors LED per a automoció: anàlisi de disseny

En automòbils o automòbils, els LED han crescut fins a convertir-se en l'elecció preferida d'il·luminació. Tant si es tracta dels llums posteriors posteriors com dels indicadors indicatius del clúster, tal com s’indica a la figura 1 següent, tots incorporen LED actualment. Les seves dimensions compactes ajuden a la versatilitat en el disseny i ofereixen la possibilitat de ser tan durador com l’esperança de vida del vehicle.

Figura 1

D’altra banda, tot i que els LED són dispositius d’alta eficiència, són vulnerables al deteriorament dels paràmetres de tensió, corrent i temperatura no regulats, particularment en el dur ecosistema de l’automòbil.

Per poder millorar l'eficiència i la permanència de la llum LED, Disseny de circuits de controladors LED exigeix ​​una anàlisi prudent.

Els circuits electrònics que s’apliquen com a controladors LED fan ús fonamental dels transistors. Una topologia de circuit estàndard que s’utilitza freqüentment en els controladors LED és la topologia lineal, on el transistor està dissenyat per funcionar dins de la regió lineal.

Aquesta topologia ens dóna l'opció de fer circuits de controladors només mitjançant transistors o bé fent servir circuits integrats especialitzats amb transistors incorporats i funcions addicionals de millora del LED.

En aplicacions discretes, els transistors de unió bipolar (BJT), que són productes bàsics molt accessibles, solen ser els preferits.

Tot i que els BJT són fàcils de configurar des del punt de vista del circuit, es poden trobar complicacions importants en crear una solució total de controladors LED que compleixi la precisió de control actual, la dimensió del PCB, la gestió de la calor i el diagnòstic d’errors, que són alguns requisits previs importants tota la tensió de treball i el rang de temperatura.

A més, com el augmenta la quantitat de LEDs , el disseny de circuits amb etapes BJT discretes es fa encara més sofisticat.

En comparació amb les parts discretes, aplicant Alternatives basades en IC semblen més convenients pel que fa a la distribució del circuit, però, a més, als procediments de disseny i avaluació.

A més, pot ser que el remei general sigui encara més assequible.

Paràmetres per al disseny de controladors LED d'automoció

Per tant, en dissenyar circuits de controladors LED per a un il·luminació per a automoció aplicació, és essencial contemplar punts focals LED, avaluar alternatives de disseny de circuits i factors en les demandes del sistema.

Un LED és en realitat un díode d'unió de tipus N (PN) de tipus P que permet que el corrent es desplaci a través d'ell només en una sola direcció. El corrent comença a fluir tan bon punt la tensió del LED assoleix la tensió directa mínima (VF).

El nivell d’il·luminació o la brillantor d’un LED està determinat pel corrent directe (IF), mentre la quantitat de corrent que consumeix un LED depèn de la tensió aplicada a través del LED.

Tot i que la brillantor del LED i el corrent directe IF estan relacionats linealment, fins i tot un lleuger augment del voltatge frontal VF a través del LED pot provocar una ràpida escalada en la presa de corrent del LED.

Els LED amb especificacions de color diferents tenen especificacions VF i IF diferents a causa dels seus ingredients semiconductors específics (Figura 2). Cal tenir en compte les especificacions del full de dades de cada LED, específicament mentre s’apliquen diferents LED de color dins d’un únic circuit.

Figura # 2

Per exemple, quan es desenvolupa amb il·luminació vermell-verd-blau (RGB) , un LED vermell pot venir amb una tensió de sortida de prop de 2 V, mentre que el mateix per a un LED blau i verd podria estar al voltant de 3 a 4 V.

Tenint en compte que esteu fent servir aquests LEDs des d’un únic subministrament de voltatge comú, és possible que necessiteu un càlcul correcte resistència que limita el corrent per a cadascun dels LEDs de colors, per evitar el deteriorament del LED.

Eficiència tèrmica i energètica

A part dels paràmetres de tensió i corrent d’alimentació, la temperatura i l’eficiència energètica també requereixen una anàlisi acurada. Tot i que la major part del corrent aplicat a través d’un LED es converteix en llum LED, una petita quantitat d’energia es converteix en calor dins de la unió PN del dispositiu.

La temperatura generada a través d’una unió de LEDs es podria veure afectada greument per uns quants paràmetres externs, com ara:

• per la temperatura atmosfèrica (TA),
• per la resistència tèrmica entre la unió LED i l'aire ambiental (RθJA),
• i per la dissipació d'energia (PD).

La següent equació 1 revela les especificacions de dissipació de potència PD d'un LED:

PD = VF × IF ------------ Eq # 1

Amb l'ajut de l'anterior, podem derivar encara més la següent equació que calcula la temperatura de la unió (TJ) d'un LED:

TJ = TA + RθJA × PD ---------- Eq # 2

És essencial determinar el TJ no només en condicions normals de treball, sinó també sota una temperatura ambiental màxima absoluta TA del disseny, pel que fa a les preocupacions del pitjor dels casos.

A mesura que augmenta la temperatura de la unió LED TJ, la seva eficiència laboral es deteriora. Els IF actuals de corrent directe i la temperatura de la unió TJ d'un LED han de romandre per sota de les seves qualificacions màximes absolutes, segons es classifiquen a les fitxes tècniques, per protegir-se de la destrucció (Figura 3).

Figura # 3

A més dels LED, també heu de tenir en compte l’eficiència energètica de les resistències i els elements motrius com els BJT i ​​els amplificadors operatius (amplificadors operatius), específicament a mesura que augmenta la quantitat de components discrets.

Una eficiència energètica inadequada de les etapes del controlador, el període d’activació del LED i / o la temperatura ambiental, tots aquests factors poden provocar un augment de la temperatura del dispositiu, que influeixi en la sortida actual del controlador BJT i ​​redueixi la caiguda de VF dels LED .

A mesura que l’augment de la temperatura redueix la caiguda de tensió directa dels LED, la taxa de consum actual del LED augmenta, cosa que provoca un augment proporcional de la dissipació de la potència PD i la temperatura, i això provoca una reducció addicional de la caiguda de tensió directa del LED VF.

Aquest cicle d'augment continu de la temperatura, també conegut com a 'fugida tèrmica', obliga els LED a funcionar per sobre de la seva temperatura òptima de funcionament, provocant una degradació ràpida i, en algun moment, fallada del dispositiu, a causa d'un augment del consum de FI. .

Controladors LED lineals

Operar LEDs linealment a través de transistors o circuits integrats és realment convenient. De totes les possibilitats, l’enfocament més senzill per controlar un LED sol ser connectar-lo a través de la font de tensió d’alimentació (VS).

Tenir la resistència adequada per limitar el corrent restringeix el consum de corrent del dispositiu i soluciona una caiguda de tensió precisa del LED. Es pot utilitzar la següent equació 3 per calcular el valor de la resistència en sèrie (RS):

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

Referint-nos a la figura # 4, veiem que s’utilitzen 3 LEDs en sèrie, tota la caiguda de tensió VF a través dels 3 LED s’ha de tenir en compte en el càlcul de VF (el corrent continu del LED IF es manté constant).

Figura # 4

Tot i que aquesta pot ser la configuració de controladors LED més senzilla, pot ser que no sigui pràctica en una implementació de la vida real.

Les fonts d’alimentació, especialment les bateries d’automoció, són susceptibles a fluctuacions de voltatge.

Un augment menor de l’entrada de subministrament provoca que el LED atraqui quantitats més altes de corrent i, per tant, es destrueixi.

A més, l'excessiva dissipació de potència PD a la resistència augmenta la temperatura del dispositiu, cosa que pot donar lloc a fugides tèrmiques.

Controladors discrets de corrent constant LED per a aplicacions automotrius

Quan s'utilitza una característica de corrent constant, garanteix un disseny eficaç i eficient de l'energia. Atès que la tècnica més freqüent per operar un LED és mitjançant un encès i apagat, un transistor permet un subministrament de corrent ben regulat.

Figura 5

En referència a la figura 5 anterior, és possible optar per un BJT o un MOSFET, en funció de les especificacions de voltatge i corrent de la configuració del LED. Els transistors manegen fàcilment una potència més gran en comparació amb una resistència, però són susceptibles a pujades i baixades de tensió i variacions de temperatura. Per exemple, quan la tensió al voltant d’un BJT augmenta, el seu corrent també augmenta proporcionalment.

Per garantir una estabilitat addicional, és possible personalitzar aquests circuits BJT o MOSFET per proporcionar un corrent constant malgrat tenir desequilibris en la tensió d'alimentació.

Disseny de font de corrent LED

Les figures 6 a 8 mostren un grapat d’il·lustracions de circuits de font de corrent.

A la figura 6, un díode Zener genera una tensió de sortida estable a la base del transistor.

La resistència de limitació de corrent RZ garanteix un corrent controlat per permetre que el díode Zener funcioni correctament.

La sortida del díode Zener produeix una tensió constant malgrat les fluctuacions en la tensió d'alimentació.

La caiguda de tensió sobre la resistència emissora RE hauria de complementar la caiguda de tensió del díode Zener, per tant, el transistor ajusta el corrent del col·lector, cosa que garanteix que el corrent a través dels LED sempre es mantingui constant.

Utilitzant un comentari d'ampli operatiu

A la figura 7 següent, es mostra un circuit d'amplificador operatiu amb un bucle de retroalimentació per fer un circuit de controlador LED d'automòbil ideal. La connexió de retroalimentació assegura que la sortida s’ajusta automàticament per tal que el potencial desenvolupat a la seva entrada negativa segueixi sent igual a la seva entrada de referència positiva.

Es fixa un díode Zener per generar una tensió de referència a l’entrada no inversora de l’amplificador operatiu. En cas que el corrent dels LED excedeixi un valor predeterminat, desenvolupa una quantitat proporcional de voltatge a través de la resistència de sentit RS, que intenta superar el valor de referència zener.

Com que això provoca que el voltatge a l’entrada d’inversió negativa de l’amplificador operacional excedeixi el valor zener de referència positiu, obliga la sortida de l’amplificador operacional a desconnectar-se, la qual cosa al seu torn redueix el corrent del LED i també el voltatge a través de RS.

Aquesta situació torna a tornar la sortida de l'amplificador operatiu per activar l'estat i activa el LED, i aquesta acció d'ajustament automàtic de l'amplificador operatiu continua de manera infinita, garantint que el corrent LED mai superi el nivell de seguretat calculat.

La figura 8 anterior il·lustra un disseny basat en la retroalimentació més realitzat mitjançant un parell de BJT. Aquí, el corrent flueix per mitjà de R1, engegant el transistor Q1. El corrent continua viatjant a través de R2, que fixa la quantitat correcta de corrent a través dels LED.

En cas que aquest corrent LED a través de R2 intenti superar el valor predeterminat, la caiguda de tensió a través de R2 també augmenta proporcionalment. En el moment en què aquesta caiguda de tensió puja fins a la tensió de base a emissor (Vbe) del transistor Q2, Q2 comença a activar-se.

En estar activat Q2, ara comença a treure corrent a través de R1, obligant Q1 a començar a apagar-se i la condició continua ajustant-se automàticament a través del LED, garantint que el corrent LED mai superi el nivell insegur.

Això limitador de corrent transistoritzat amb un bucle de retroalimentació garanteix un subministrament de corrent constant als LED segons el valor calculat de R2. En l'exemple anterior s'implementen BJT, però no obstant això, també és factible utilitzar MOSFET en aquest circuit per a aplicacions de corrent superior.

Controladors LED de corrent constant que utilitzen circuits integrats

Aquests blocs de construcció essencials basats en transistors es podrien replicar fàcilment per operar diverses cadenes de LED, tal com es mostra a la figura 9.

Controlar un grup de Cordes LED fa que augmenti ràpidament el recompte de components, ocupant més espai de PCB i consumint més nombre de pins d'entrada / sortida d'ús general (GPIO).

A més, aquests dissenys bàsicament no tenen en compte el control de la brillantor ni el diagnòstic d’errors, que són necessitats essencials per a la majoria d’aplicacions LED de potència.

Per incloure especificacions com el control de la brillantor i el diagnòstic d’errors, cal un nombre addicional de components discrets i s’han afegit procediments d’anàlisi de disseny.

Dissenys LED que inclouen major nombre de LEDs , fa que els dissenys de circuits discrets incloguin un major nombre de peces, augmentant la complexitat del circuit.

Per tal de racionalitzar el procés de disseny, es considera més eficaç aplicar-la CI especialitzats per funcionar com a controladors de LED . Molts dels components discrets tal com s’indica a la figura 9 es podrien facilitar amb un controlador LED basat en IC, tal com es mostra a la figura 10.

Figura # 10

Els circuits integrats de controladors de LED estan especialment dissenyats per fer front a les especificacions de voltatge, corrent i temperatura crítics dels LED, i també per minimitzar el recompte de peces i les dimensions de la placa.

A més, els circuits integrats de controladors de LED poden tenir funcions addicionals per al control de la brillantor i el diagnòstic, inclosa la protecció contra la temperatura. Dit això, pot ser possible assolir les funcions avançades anteriors mitjançant dissenys discrets basats en BJT, però les CI semblen ser una alternativa més fàcil, comparativament.

Reptes en aplicacions LED d'automoció

En moltes aplicacions LED d'automoció, el control de la brillantor es converteix en una necessitat essencial.

Atès que ajustant el corrent continu IF mitjançant el LED s’ajusta el nivell de brillantor proporcionalment, es poden emprar dissenys analògics per aconseguir els resultats. Un mètode digital de control de la brillantor del LED és mitjançant la modulació de l'amplitud de pols o PWM. Els detalls següents analitzen els dos conceptes i mostren com es poden aplicar a aplicacions LED d'automoció

Diferència entre el control de brillantor LED analògic i PWM

La figura 11 avalua la diferència principal entre els mètodes analògics i digitals de control de la brillantor del LED.

Figura # 11

En utilitzar el control de la brillantor del LED analògic, la il·luminació del LED s’altera a través de la magnitud del corrent de fluix que dóna com a resultat un augment de la brillantor i viceversa.

Però, la qualitat de la regulació analògica de la intensitat o de la brillantor no és satisfactòria, específicament a intervals de brillantor més baixos. La regulació analògica no sol ser adequada per a aplicacions de LED dependents del color, com ara la il·luminació RGB o els indicadors d’estat, ja que la variació de l’IF sol afectar la sortida de color del LED, provocant una resolució de color deficient dels LED RGB.

En canvi, Dimmers LED basats en PWM no variï el corrent cap endavant del LED en cas de contrari, sinó que controla la intensitat variant la velocitat de commutació ON / OFF dels LED. Aleshores, el corrent mitjà del temps d’encès del LED decideix la brillantor proporcional del LED. També s’anomena cicle de treball (la proporció de l’amplada del pols sobre l’interval de pols del PWM). A través de PWM, un cicle de treball més alt resulta en un corrent mitjà més elevat a través del LED, provocant una major brillantor i viceversa.

A causa del fet que podeu ajustar finament el cicle de treball a diversos rangs d’il·luminació, l’enfosquiment PWM ajuda a aconseguir una proporció d’enfosquiment molt més àmplia en comparació amb l’enfosquiment analògic.

Tot i que PWM garanteix un control millorat de la brillantor, requereix més anàlisi de disseny. La freqüència PWM ha de ser molt superior a la que pot percebre la nostra visió, en cas contrari, els LED poden acabar apareixent com si parpellejessin. A més, els circuits dimmer PWM són famosos per generar interferències electromagnètiques (EMI).

Interferència de controladors LED

Un circuit de controladors LED d’automoció construït amb un control EMI inadequat pot afectar negativament altres programes electrònics veïns, com ara la generació de soroll de zumbit a la ràdio o equips d’àudio sensibles similars.

Els circuits integrats de controladors LED poden proporcionar-vos tant funcions d’atenuació analògica com PWM, juntament amb funcions suplementàries per fer front a l’EMI, com ara la velocitat de gir programable o el canvi de fase del canal de sortida o el retard de grup.

Diagnòstic del LED i notificació d’errors

Els diagnòstics de LED que inclouen escalfament, curtcircuit o circuit obert són un requisit previ de disseny popular, especialment quan l’aplicació requereix un funcionament múltiple de LED. Minimitzant el risc de mal funcionament del LED, els controladors LED tenen un corrent de sortida regulat amb una precisió més gran que els topolgies de controladors discrets basats en transistors.

Juntament amb això, els controladors IC incorporen a més una protecció contra la temperatura elevada per garantir una major esperança de vida operativa dels LED i del circuit del conductor.

Els controladors LED dissenyats per a automòbils han d’estar equipats per detectar errors, per exemple, un LED obert o un curtcircuit. Algunes aplicacions també poden necessitar mesures de seguiment per contrarestar un error detectat.

Com a exemple, un mòdul de llum posterior del cotxe inclou una sèrie de cordes de LED per il·luminar els llums posteriors i els llums de fre. En el cas que es detecti un error de LED interromput en una de les cadenes de LED, el circuit ha de poder apagar tota la matriu de LED, de manera que es pugui evitar un dany addicional als LED restants.

L'acció també advertiria a l'usuari sobre el mòdul LED degradat no estàndard que cal desinstal·lar i enviar al fabricant per al seu manteniment.

Mòduls de control corporal (BCM)

Per poder proporcionar una alerta de diagnòstic a l'usuari del cotxe, un interruptor intel·ligent de la part alta a la mòdul de control corporal (BCM) registra una falla a través de l'element de llum posterior, tal com es mostra a la figura 12 anterior.

Dit això, la identificació d'una falla LED a través del BCM podria ser complicada. De tant en tant, podeu utilitzar el mateix disseny de la placa BCM per detectar un circuit basat en bombetes incandescents estàndard o un sistema basat en LED perquè el corrent LED sol ser substancialment més petit en comparació amb el consum de bombetes incandescents, diferenciant una càrrega de LED lògica.

Conclusió

És possible que sigui difícil identificar una càrrega oberta o desconnectada si els diagnòstics de sentit actual no es dissenyen amb precisió. En lloc de tenir una cadena de LED oberta individual, apagar tota la cadena de cadenes de LED es fa més fàcilment detectable per BCM per informar d'una situació de càrrega oberta. Una condició que garanteix que si One-LED-fail es podria executar el criteri All-LED-fail per apagar tots els LED en detectar un sol error LED. Els controladors de LED lineals per a automoció inclouen la característica que permet una reacció de fallada única i pot identificar un bus d’error comú a través de múltiples configuracions de circuits integrats.