Otomotiv LED Sürücü Devreleri - Tasarım Analizi

Otomobillerde veya otomobillerde, LED'ler tercih edilen aydınlatma seçeneği haline geldi. İster arka stop lambaları ister aşağıdaki Şekil 1'de gösterildiği gibi kümedeki ikaz göstergeleri olsun, günümüzde hepsinde LED'ler bulunur. Kompakt boyutları, tasarımda çok yönlülüğe yardımcı olur ve olasılığın, aracın beklenen ömrü kadar dayanıklı olmasını sağlar.

Şekil 1

Öte yandan, LED'ler son derece verimli cihazlar olsalar da, özellikle zorlu otomotiv ekosisteminde düzensiz voltaj, akım ve sıcaklık parametrelerinden kaynaklanan bozulmalara karşı savunmasızdır.

LED ışık verimini ve kalıcılığını artırabilmek, LED sürücü devre tasarımı ihtiyatlı analiz gerektirir.

LED sürücüleri olarak uygulanan elektronik devreler temelde transistörlerden yararlanır. LED sürücülerde sıklıkla kullanılan bir standart devre topolojisi, transistörün doğrusal bölge içinde çalışacak şekilde tasarlandığı doğrusal topolojidir.

Bu topoloji bize yalnızca transistörler aracılığıyla sürücü devreleri veya yerleşik transistörler ve ek LED geliştirme özelliklerine sahip özel IC'ler kullanma.

Ayrık uygulamalarda, oldukça erişilebilir ticari ürünler olan bipolar bağlantı transistörleri (BJT'ler) favori olma eğilimindedir.

BJT'lerin devre açısından yapılandırılmasının basit olmasına rağmen, mevcut kontrol doğruluğunu, PCB boyutunu, ısı yönetimini ve arıza teşhisini karşılayan toplam bir LED sürücü çözümü oluştururken önemli komplikasyonlar bulunabilir ve bunlar baştan sona birkaç önemli önkoşuldur. tüm çalışma besleme voltajı ve sıcaklık aralığı.

Ayrıca, LED sayısı artar , ayrık BJT aşamalarını kullanan devre tasarımı daha da karmaşık hale gelir.

Ayrı parçalarla karşılaştırıldığında, uygulama IC tabanlı alternatifler devre yerleşimi açısından daha uygun görünmektedir, ancak ek olarak tasarım ve değerlendirme prosedürleri.

Bunun yanı sıra, genel çözüm belki daha da uygun fiyatlı olabilir.

Otomotiv LED Sürücülerini Tasarlamak için Parametreler

Bu nedenle, bir için LED sürücü devreleri tasarlarken otomotiv aydınlatması uygulamada, LED odak noktalarını düşünmek, devre tasarımı alternatiflerini ve sistem taleplerindeki faktörleri değerlendirmek esastır.

Bir LED aslında, akımın sadece tek bir yönde hareket etmesine izin veren P tipi bir N-tipi (PN) bağlantı diyotudur. LED üzerindeki gerilim minimum ileri gerilime (VF) ulaştığında akım akmaya başlar.

Bir LED'in aydınlatma seviyesi veya parlaklığı, ileri akım (IF) tarafından belirlenirken, bir LED'in ne kadar akım tükettiği, LED boyunca uygulanan gerilime bağlıdır.

LED parlaklığı ve ileri akım IF doğrusal olarak ilişkili olsa da, LED boyunca ileri voltaj VF'deki hafif bir artış bile LED'in akım alımında hızlı bir artışa neden olabilir.

Farklı renk özelliklerine sahip LED'ler, belirli yarı iletken bileşenleri nedeniyle farklı VF ve IF özelliklerine sahiptir (Şekil 2). Özellikle tek bir devre içinde farklı renkli LED'ler uygularken, her LED'in veri sayfası teknik özelliklerini dikkate almak gerekir.

Şekil 2

Örneğin, ile geliştirirken kırmızı-yeşil-mavi (RGB) aydınlatma , kırmızı bir LED yaklaşık 2 V İleri voltaj değeriyle gelebilirken, mavi ve yeşil LED'ler için aynısı yaklaşık 3 ila 4 V olabilir.

Bu LED'leri tek bir ortak voltaj kaynağından çalıştırdığınızı düşünürsek, iyi hesaplanmış bir akım sınırlayıcı direnç LED bozulmasını önlemek için renkli LED'lerin her biri için.

Termal ve güç verimliliği

Besleme gerilimi ve akım parametrelerinin yanı sıra, sıcaklık ve güç verimliliği de aynı şekilde dikkatli bir analiz gerektirir. Bir LED'e uygulanan akımın çoğu LED ışığa dönüştürülse de, cihazın PN bağlantısında az miktarda güç ısıya dönüştürülür.

Bir LED bağlantısında üretilen sıcaklık, aşağıdakiler gibi birkaç harici parametreden ciddi şekilde etkilenebilir:

• atmosferik sıcaklık (TA) ile,
• LED bağlantısı ile ortam havası (RθJA) arasındaki ısıl direnç ile,
• ve güç kaybı (PD) ile.

Aşağıdaki Denklem 1, bir LED'in güç dağılımı spesifikasyonunu PD gösterir:

PD = VF × EĞER ------------ Denklem # 1

Yukarıdakilerin yardımıyla, bir LED'in bağlantı sıcaklığını (TJ) hesaplayan aşağıdaki denklemi daha da elde edebiliriz:

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

TJ'nin sadece normal çalışma koşullarında değil, aynı zamanda tasarımın mutlak maksimum ortam sıcaklığı TA'sı altında, en kötü durum senaryosu endişelerine göre belirlenmesi önemlidir.

LED bağlantı sıcaklığı TJ arttıkça, iş verimliliği bozulur. Bir LED'in ileri akım IF ve bağlantı sıcaklığı TJ, yıkıma karşı koruma sağlamak için veri sayfaları tarafından sınıflandırıldığı şekliyle mutlak maksimum değerlerinin altında kalmalıdır (Şekil 3).

Figür 3

LED'lerin yanı sıra, özellikle ayrık bileşenlerin miktarı arttıkça dirençlerin güç verimliliğini ve BJT'ler ve operasyonel amplifikatörler (op amperler) gibi sürücü unsurları da hesaba katmalısınız.

Sürücü aşamalarının yetersiz güç verimliliği, LED açık kalma süresi ve / veya ortam sıcaklığı bu faktörlerin tümü, cihazın sıcaklığının yükselmesine, BJT sürücüsünün akım çıkışını etkileyerek ve LED'lerin VF düşüşünü azaltabilir. .

Sıcaklıktaki artış LED'lerin ileri voltaj düşüşünü düşürdükçe, LED'in akım tüketim oranı yükselir ve orantılı olarak artan güç dağılımı PD ve sıcaklığa yol açar ve bu, LED'in ileri voltaj düşüşü VF'de daha fazla azalmaya neden olur.

Aynı zamanda 'termal kaçak' olarak da adlandırılan sıcaklıktaki sürekli bir artış döngüsü, LED'leri optimum çalışma sıcaklıklarının üzerinde çalışmaya zorlayarak hızlı bozulmaya neden olur ve artan IF tüketimi seviyesi nedeniyle cihazın bir noktada arızalanmasına neden olur. .

Doğrusal LED Sürücüler

LED'leri transistörler veya IC'ler aracılığıyla doğrusal olarak çalıştırmak aslında oldukça kullanışlıdır. Tüm olasılıklar arasında, bir LED'i kontrol etmenin en basit yolu, genellikle onu doğrudan besleme voltaj kaynağı (VS) boyunca bağlamaktır.

Doğru akım sınırlayıcı dirence sahip olmak, cihazın akım çekimini sınırlar ve LED için doğru bir voltaj düşüşünü düzeltir. Seri direnç (RS) değerini hesaplamak için aşağıdaki Denklem 3 kullanılabilir:

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

Şekil # 4'e bakıldığında, 3 LED'in seri olarak kullanıldığını görüyoruz, 3 LED üzerindeki tüm voltaj düşüşü VF, VF hesaplamasıyla dikkate alınmalıdır (LED'in ileri akımı IF sabit kalır.)

Şekil 4

Bu, en basit LED sürücü yapılandırması olsa da, gerçek hayattaki bir uygulamada oldukça kullanışsız olabilir.

Güç kaynakları, özellikle otomotiv aküleri, voltaj dalgalanmalarına karşı hassastır.

Besleme girişindeki küçük bir artış, LED'in daha yüksek miktarda akım çekmesini ve sonuç olarak yok olmasını tetikler.

Ayrıca, dirençteki aşırı güç kaybı PD, cihaz sıcaklığını arttırır ve bu da termal kaçağa neden olabilir.

Otomotiv Uygulaması için Ayrık Sabit Akımlı LED Sürücüler

Sabit akım özelliği kullanıldığında, gelişmiş bir güç verimli ve güvenilir yerleşim sağlar. Bir LED'i çalıştırmanın en yaygın tekniği açma ve kapama anahtarlaması olduğu için, bir transistör iyi düzenlenmiş bir akım beslemesi sağlar.

Şekil 5

Yukarıdaki Şekil 5'e referansla, LED konfigürasyonunun voltaj ve akım özelliklerine bağlı olarak bir BJT veya bir MOSFET için gitmek mümkün olabilir. Transistörler, bir dirence kıyasla daha büyük gücü kolayca idare eder, ancak gerilim iniş ve çıkışlarına ve sıcaklık değişimlerine karşı hassastır. Örneğin, bir BJT etrafındaki voltaj yükseldiğinde, akımı da orantılı olarak artar.

Ek kararlılığı garanti etmek için, bu BJT veya MOSFET devrelerini, besleme voltajında ​​dengesizliklere sahip olmasına rağmen sabit akım sağlayacak şekilde özelleştirmek mümkündür.

LED Akım Kaynağını Tasarlama

Şekil 6 ila 8, bir avuç akım kaynağı devre çizimini göstermektedir.

Şekil 6'da, bir Zener diyot, transistörün tabanına sabit bir çıkış voltajı üretir.

Akım sınırlayıcı direnç RZ, Zener diyodunun doğru çalışmasını sağlamak için kontrollü bir akım sağlar.

Zener diyot çıkışı, besleme gerilimindeki dalgalanmalara rağmen sabit bir gerilim üretir.

Verici direnci RE üzerinden voltaj düşüşü, Zener diyodunun voltaj düşüşünü tamamlamalıdır, bu nedenle transistör, kolektör akımını ayarlar ve bu da LED'lerden geçen akımın her zaman sabit kalmasını sağlar.

Op Amp Geri Bildirimi Kullanma

Aşağıdaki Şekil 7'de, ideal bir otomotiv LED kontrol devresi yapmak için bir geri besleme döngüsüne sahip bir op amp devresi gösterilmektedir. Geri besleme bağlantısı, negatif girişinde geliştirilen potansiyelin pozitif referans girişine eşit kalması için çıkışın otomatik olarak ayarlanmasını sağlar.

Op amp'in ters çevirmeyen girişinde bir referans voltajı oluşturmak için bir Zener diyot kenetlenir. LED'lerin akımının önceden belirlenmiş bir değeri aşması durumunda, zener referans değerini aşmaya çalışan RS algılama direnci boyunca orantılı bir voltaj miktarı geliştirir.

Bu, op amp'in negatif ters çevirme girişindeki voltajın pozitif referans zener değerini aşmasına neden olduğundan, op amp çıkışını, LED akımını ve ayrıca RS boyunca voltajı düşüren KAPALI anahtarlamaya zorlar.

Bu durum tekrar AÇIK duruma geçmek için op amp çıkışını geri döndürür ve LED'i etkinleştirir ve op amp'in bu kendi kendini ayarlama eylemi, LED akımının hesaplanan güvenli olmayan seviyeyi asla aşmamasını sağlayarak sonsuza kadar devam eder.

Yukarıdaki Şekil 8, bir çift BJT kullanılarak gerçekleştirilen bir geri bildirime dayalı tasarımı daha göstermektedir. Burada akım, transistör Q1'i açarak R1 vasıtasıyla akar. Akım, LED'ler aracılığıyla doğru miktarda akımı sabitleyen R2 üzerinden hareket etmeye devam eder.

R2 üzerinden geçen bu LED akımının önceden belirlenen değeri aşmaya çalışması durumunda, R2 üzerindeki voltaj düşüşü de orantılı olarak artar. Bu voltaj düşüşü Q2 transistörünün tabandan yayıcıya voltajına (Vbe) yükseldiği anda, Q2 açılmaya başlar.

AÇIK konuma getirildiğinde Q2 artık R1 üzerinden akım çekmeye başlayarak Q1'i kapanmaya zorlar ve durum LED üzerinden akımı kendi kendine ayarlayarak LED akımının asla güvensiz seviyenin ötesine geçmemesini sağlar.

Bu transistörlü akım sınırlayıcı geri besleme döngüsü ile hesaplanan R2 değerine göre LED'lere sabit akım beslemesi garanti eder. Yukarıdaki örnekte BJT'ler uygulanmaktadır ancak yine de bu devrede daha yüksek akım uygulamaları için MOSFET'lerin kullanılması da mümkündür.

Entegre Devreler Kullanan Sabit Akımlı LED Sürücüler

Bu temel transistör tabanlı yapı taşları, Şekil 9'da gösterildiği gibi, birkaç LED dizisini çalıştırmak için kolayca kopyalanabilir.

Bir grubu kontrol etmek LED dizeleri hızlı bir şekilde bileşen sayısının artmasına, daha yüksek PCB alanı kaplamasına ve daha fazla sayıda genel amaçlı giriş / çıkış (GPIO) pini tüketmesine neden olur.

Dahası, bu tür tasarımlar temelde çoğu güç LED uygulaması için temel ihtiyaçlar olan parlaklık kontrolü ve arıza teşhisi hususlarından yoksundur.

Parlaklık kontrolü ve arıza teşhisi gibi spesifikasyonları dahil etmek için ek sayıda ayrı bileşen ve ek tasarım analizi prosedürleri gerekir.

Aşağıdakileri içeren LED tasarımlar daha fazla sayıda LED , ayrık devre tasarımlarının daha fazla parça içermesine ve devrenin karmaşıklığını artırmasına neden olur.

Tasarım sürecini kolaylaştırmak için, uygulamanın en etkili olduğu kabul edilir LED sürücüleri olarak işlev gören özel IC'ler . Şekil 9'da gösterildiği gibi birçok ayrı bileşen, Şekil 10'da gösterildiği gibi IC tabanlı bir LED sürücü ile daha kolay hale getirilebilir.

Şekil # 10

LED sürücü IC'leri, LED'lerin kritik voltaj, akım ve sıcaklık spesifikasyonlarının üstesinden gelmek ve ayrıca parça sayısını ve kart boyutlarını en aza indirmek için özel olarak tasarlanmıştır.

Ayrıca, LED sürücü IC'leri, aşırı sıcaklık koruması dahil olmak üzere parlaklık kontrolü ve tanılama için ek özelliklere sahip olabilir. Bununla birlikte, yukarıdaki gelişmiş özellikleri ayrı BJT tabanlı tasarımlar kullanarak da elde etmek mümkün olabilir, ancak IC'ler nispeten daha kolay bir alternatif gibi görünmektedir.

Otomotiv LED Uygulamalarındaki Zorluklar

Pek çok otomotiv LED uygulamasında, parlaklık kontrolü zorunlu bir gereklilik haline gelir.

İleri akım IF'nin LED aracılığıyla ayarlanması parlaklık seviyesini orantılı olarak ayarladığından, sonuçlara ulaşmak için analog tasarımlar kullanılabilir. LED parlaklık kontrolünün dijital bir yöntemi, PWM veya darbe genişliği modülasyonudur. Aşağıdaki ayrıntılar iki kavramı analiz eder ve otomotiv LED uygulamaları için nasıl uygulanabileceklerini gösterir.

Analog ve PWM LED Parlaklık Kontrolü Arasındaki Fark

Şekil 11, LED parlaklığını kontrol etmenin analog ve dijital yöntemleri arasındaki temel farkı değerlendirir.

Şekil 11

Analog LED parlaklık kontrolü kullanılarak, LED aydınlatma, akan akımın büyüklüğüyle değiştirilir, daha büyük akım daha fazla parlaklıkla sonuçlanır ve bunun tersi de geçerlidir.

Ancak, analog karartma veya parlaklık kontrolünün kalitesi, özellikle daha düşük parlaklık aralıklarında tatmin edici değildir. Analog karartma, RGB aydınlatma veya durum göstergeleri gibi renge bağlı LED uygulamaları için genellikle uygun değildir, çünkü değişen IF, LED'in renk çıkışını etkileme eğilimindedir ve RGB LED'lerden düşük renk çözünürlüğüne neden olur.

Tersine, PWM tabanlı LED dimmerler LED ileri akımını IF değiştirmeyin, bunun yerine LED'lerin AÇIK / KAPALI anahtarlama oranını değiştirerek yoğunluğu kontrol eder. Ardından, ortalama AÇIK zaman LED akımı, LED üzerindeki orantılı parlaklığa karar verir. Aynı zamanda görev döngüsü (darbe genişliğinin PWM'nin darbe aralığına oranı) olarak da adlandırılır. PWM sayesinde, daha yüksek bir görev döngüsü, LED üzerinden daha yüksek bir ortalama akımla sonuçlanır ve daha yüksek parlaklığa neden olur ve bunun tersi de geçerlidir.

Görev döngüsünü çeşitli aydınlatma aralıklarına ince ayarlayabilmeniz nedeniyle, PWM karartma, analog karartmaya kıyasla çok daha geniş bir karartma oranı elde etmenize yardımcı olur.

PWM, gelişmiş bir parlaklık kontrol çıktısını garanti etse de, daha fazla tasarım analizi gerektirir. PWM frekansı, vizyonumuzun algılayabileceğinden çok daha yüksek olmalıdır, aksi takdirde LED'ler titriyor gibi görünebilir. Dahası, PWM dimmer devreleri elektromanyetik girişim (EMI) oluşturmakla ünlüdür.

LED Sürücülerden Parazit

Yetersiz EMI kontrolü ile oluşturulmuş bir otomotiv LED sürücü devresi, radyoda vızıltı sesi veya benzer hassas ses ekipmanı gibi diğer komşu elektronik yazılımları olumsuz etkileyebilir.

LED sürücü IC'leri kesinlikle hem analog hem de PWM karartma özelliklerinin yanı sıra programlanabilir dönüş hızı veya çıkış kanalı faz kaydırma veya grup gecikmesi gibi EMI'nin üstesinden gelmek için tamamlayıcı işlevler sağlayabilir.

LED teşhisi ve hata raporlama

Aşırı ısınma, kısa devre veya açık devre içeren LED teşhisi, özellikle uygulama birden fazla LED çalışması gerektirdiğinde popüler bir tasarım ön şartıdır. LED arızası riskini en aza indiren LED sürücüler, transistör tabanlı ayrık sürücü topolojilerinden daha yüksek hassasiyetle düzenlenmiş çıkış akımına sahiptir.

Bununla birlikte, IC sürücüleri, LED'lerin ve sürücü devresinin kendisinin daha yüksek çalışma ömrü beklentisi sağlamak için ek olarak aşırı sıcaklık koruması içerir.

Otomobiller için tasarlanmış LED sürücüleri, örneğin bir LED açık veya kısa devre gibi hataları algılayacak şekilde donatılmalıdır. Birkaç uygulama, tespit edilen bir arızayı önlemek için takip önlemleri de gerektirebilir.

Örnek olarak, bir araba arka ışık modülü, arka lambaları ve fren lambalarını aydınlatmak için bir dizi LED dizisi içerir. LED dizilerinden birinde bozuk bir LED arızasının tespit edilmesi durumunda, kalan LED'lerin daha fazla hasar görmesini önlemek için devre tüm LED dizisini kapatabilmelidir.

Eylem ayrıca, kaldırılması ve bakım için üreticiye gönderilmesi gereken standart dışı bozulmuş LED modülü konusunda kullanıcıyı uyaracaktır.

Vücut Kontrol Modülleri (BCM)

Araç kullanıcısına bir teşhis uyarısı sağlayabilmek için, akıllı bir yüksek taraf anahtarı Beden kontrol modülü (BCM), yukarıdaki Şekil 12'de gösterildiği gibi arka ışık elemanından bir arızayı kaydeder.

Bunu söyledikten sonra, BCM aracılığıyla bir LED arızasının belirlenmesi karmaşık olabilir. Bazen, standart bir akkor ampul tabanlı devreyi veya LED tabanlı bir sistemi algılamak için aynı BCM kart tasarımını kullanabilirsiniz, çünkü LED akımı, akkor ampul tüketimine kıyasla önemli ölçüde daha küçük olma eğilimindedir ve mantıksal bir LED yükü arasında ayrım yapar.

Sonuç

Açık veya bağlantısı kesilmiş bir yükün, akım anlamında tanıların doğru tasarlanmaması durumunda belirlenmesi zor olabilir. Ayrı bir açık LED dizisine sahip olmak yerine, tüm LED dizilerini KAPALI konuma getirmek, BCM tarafından açık bir yük durumunu bildirmek için daha kolay algılanabilir hale gelir. Tek LED arızası durumunda Tüm LED arızası kriterinin tek bir LED arızasını algıladığında tüm LED'leri kapatmak için uygulanabilmesini sağlayan bir koşul. Otomotiv lineer LED sürücüleri, hepsi başarısız olan bir reaksiyona izin veren ve birden çok IC konfigürasyonu boyunca ortak bir hata veriyolunu tanımlayabilen özelliği içerir.