Autode LED-draiverite ahelad - disainianalüüs

Proovige Meie Instrumenti Probleemide Kõrvaldamiseks





Autodes või autodes on LED-id kasvanud eelistatud valgustusvalikuks. Olgu need siis tagumised tagatuled või klastri märgulampid, nagu on näidatud allpool joonisel 1, sisaldavad kõik tänapäeval LED-e. Nende kompaktsed mõõtmed aitavad disainilahenduse mitmekülgsust ja pakuvad võimalust olla sama vastupidavad kui sõiduki eeldatav eluiga ise.

Joonis 1



Teisest küljest, kuigi LED-id on ülitõhusad seadmed, on nad tundmatud reguleerimata pinge, voolu ja temperatuuri parameetrite halvenemise tõttu, eriti karmis mootorsõidukite ökosüsteemis.

LED-valguse efektiivsuse ja püsivuse suurendamiseks LED-draiveri vooluahela kujundus nõuab ettevaatlikku analüüsi.



LED-draiveritena kasutatavad elektroonilised ahelad kasutavad põhimõtteliselt transistore. Üks LED-draiverites sageli kasutatav vooluringi topoloogia on juhtumisi lineaarne topoloogia, kus transistor on mõeldud töötama lineaarpiirkonnas.

See topoloogia annab meile võimaluse teha juhtringid ainult läbi transistoride või spetsiaalsete integraallülituste kasutamine koos sisseehitatud transistoride ja LED-i täiendavate funktsioonidega.

Diskreetsetes rakendustes kipuvad eelistama bipolaarse ristmikuga transistorid (BJT), mis on väga ligipääsetavad kaubatooted.

Hoolimata asjaolust, et BJT-sid on vooluahela seisukohast lihtne konfigureerida, võib leida suuri komplikatsioone, luues kogu LED-draiveri lahenduse, mis vastab praegusele juhtimistäpsusele, PCB mõõtmetele, soojusjuhtimisele ja rikete diagnoosimisele, mis on kogu aeg mõned olulised eeldused kogu tööpinge ja temperatuuri vahemik.

Lisaks, nagu LEDide arv suureneb , vooluringide disain, kasutades diskreetseid BJT-etappe, muutub veelgi keerukamaks.

Diskreetsete osadega võrreldes rakendamine IC-põhised alternatiivid tundub olevat mugavam vooluahela paigutuse osas, kuid lisaks ka disaini ja hindamise protseduurid.

Peale selle võib üldine abinõu olla veelgi taskukohasem.

Autode LED-draiverite kujundamise parameetrid

Seetõttu, kui kavandate LED-draiverite ahelaid autotööstuse valgustus Rakenduse jaoks on oluline kaaluda LED-i fookuspunkte, hinnata vooluahela alternatiive ja tegureid süsteemi nõudmistes.

LED on tegelikult P-tüüpi N-tüüpi (PN) liitumisdiood, mis võimaldab voolul liikuda läbi selle ainult ühes suunas. Vool hakkab voolama kohe, kui LED-i pinge saavutab minimaalse edasipinge (VF).

Valgusdioodi valgustustaseme või heleduse määrab edasivool (IF), samal ajal kui LED-i tarbitav vool sõltub LED-i rakendatud pingest.

Kuigi LED-i heledus ja edasivoolu IF on lineaarselt seotud, võib isegi LED-i ettepoole suunatud pinge väike tõus põhjustada LED-i voolutugevuse kiiret suurenemist.

Erinevate värvispetsifikatsioonidega LED-idel on nende pooljuhi spetsiifiliste komponentide tõttu erinevad VF ja IF spetsifikatsioonid (joonis 2). Tuleb arvestada iga LED-i andmelehe spetsifikatsioonidega, rakendades samal ajal ühes vooluringis erinevaid värvilisi LED-e.

Joonis 2

Näiteks koos punane-roheline-sinine (RGB) valgustus , punase valgusdioodi edasiliikumise pinge võib olla umbes 2 V, samas kui sinise ja rohelise LED-i puhul võib sama olla umbes 3–4 V.

Arvestades, et kasutate neid LED-e ühest ühisest pingeallikast, peate võib-olla hästi arvutama voolu piirav takisti iga värvilise LED-i jaoks, et vältida LED-de riknemist.

Soojus- ja elektritõhusus

Peale toitepinge ja vooluparameetrite nõuavad hoolikat analüüsi ka temperatuur ja energiatõhusus. Ehkki enamik LED-i rakendatavast voolust muundatakse LED-valguseks, muudetakse seadme PN-ristmikul väike kogus energiat soojuseks.

LED-ristmikul tekkivat temperatuuri võivad tõsiselt mõjutada mõned välised parameetrid, näiteks:

  • atmosfääri temperatuuri (TA) järgi,
  • valgusdioodi ristmiku ja välisõhu (RθJA) soojustakistuse järgi,
  • ja võimsuse hajumise (PD) abil.

Järgmine võrrand 1 näitab LED-i võimsuse hajumise spetsifikatsioone:

PD = VF × IF ------------ Eq # 1

Eeltoodu abil saame veelgi tuletada järgmise võrrandi, mis arvutab LED-i ristmiku temperatuuri (TJ):

TJ = TA + RθJA × PD ---------- Eq # 2

Halvima stsenaariumi korral on oluline määrata TJ mitte ainult tavalistes töötingimustes, vaid ka kavandatud absoluutse maksimaalse ümbritseva õhu temperatuuri TA korral.

Kui LED-i ristmiku temperatuur TJ tõuseb, halveneb selle tööefektiivsus. LED-i ettepoole suunatud voolu IF ja ristmiku temperatuur TJ peavad jääma alla nende absoluutse maksimaalse hinnangu, mis on klassifitseeritud andmelehtedes, et kaitsta hävitamise eest (joonis 3).

Joonis # 3

Lisaks valgusdioodidele peaksite arvestama ka takistite ja ajamielementide, nagu BJT-d ja operatiivvõimendid (opvõimendid), energiatõhususega, eriti kui diskreetsete komponentide hulk suureneb.

Juhi etappide, LED-i sisselülitusaja ja / või ümbritseva õhu temperatuuri ebapiisav energiatõhusus võivad kõik need tegurid põhjustada seadme temperatuuri tõusu, mõjutades BJT-draiveri voolutugevust ja vähendades LED-ide VF-langust .

Kuna temperatuuri tõus vähendab LED-ide pinge langust, tõuseb LED-i praegune tarbimiskiirus, mis suurendab proportsionaalselt võimsuse hajumist PD ja temperatuuri ning see põhjustab LED-i edasipinge languse VF edasist vähenemist.

See temperatuuri pideva tõusu tsükkel, mida nimetatakse ka termiliseks läbipõlemiseks, sunnib LED-e töötama üle optimaalse töötemperatuuri, põhjustades seadme kiiret lagunemist ja mingil hetkel tõrkeid IF-i suurenenud tarbimise tõttu. .

Lineaarsed LED-draiverid

Valgusdioodide juhtimine lineaarselt kas transistoride või IC-de kaudu on tegelikult üsna mugav. Kõigist võimalustest on LED-i juhtimiseks kõige lihtsam viis selle ühendamine otse toitepinge allika (VS) kaudu.

Õige voolu piirava takisti olemasolu piirab seadme voolutõmmet ja fikseerib LED-i täpse pingelanguse. Seeria takisti (RS) väärtuse arvutamiseks võib kasutada järgmist võrrandit 3:

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

Viidates joonisele nr 4 näeme, et 3 LED-i kasutatakse järjestikku, tuleks VF-i arvutamisel arvestada kogu pinge langust VF üle kolme LED-i (LED-i edasivool IF jääb konstantseks.)

Joonis # 4

Kuigi see võib olla kõige lihtsam LED-draiveri konfiguratsioon, võib see tegelikus elus rakendamisel olla üsna ebapraktiline.

Toiteallikad, eriti autoakud, on pingekõikumiste suhtes vastuvõtlikud.

Toiteallika sisendi väike suurenemine kutsub LED-i üles tõmbama suuremat vooluhulka ja seetõttu hävima.

Pealegi suurendab takisti ülemäärane võimsuse hajumine PD seadme temperatuuri, mis võib põhjustada termilist põgenemist.

Diskreetsed püsivooluga LED-draiverid autotööstuses

Püsivoolu funktsiooni kasutamisel tagab see suurema energiatõhusa ja usaldusväärse paigutuse. Kuna levinuim LED-i juhtimise tehnika on sisse- ja väljalülitamine, võimaldab transistor hästi reguleeritud vooluallikat.

Joonis # 5

Viidates ülaltoodud joonisele 5, võib LED-konfiguratsiooni pinge ja voolu spetsifikatsioonide põhjal olla võimalik valida kas BJT või MOSFET. Transistorid saavad suurema takistusega hakkama kui takisti, kuid on siiski vastuvõtlikud pinge tõusule ja langusele ning temperatuuri kõikumisele. Näiteks kui pinge BJT ümber tõuseb, suureneb ka selle vool proportsionaalselt.

Täiendava stabiilsuse tagamiseks on neid BJT- või MOSFET-ahelaid võimalik kohandada konstantse voolu edastamiseks hoolimata toitepinge tasakaalustamatusest.

LED-vooluallika kujundamine

Joonised 6 kuni 8 näitavad käputäit vooluallika vooluahela illustratsioone.

Joonisel 6 genereerib Zeneri diood transistori alusele stabiilse väljundpinge.

Voolu piirav takisti RZ tagab juhitava voolu, mis võimaldab Zeneri dioodil õigesti töötada.

Zeneri dioodi väljund tekitab konstantse pinge hoolimata toitepinge kõikumistest.

Emitteri takisti RE pingelangus peaks täiendama Zeneri dioodi pingelangust, seetõttu reguleerib transistor kollektori voolu, mis tagab, et LED-ide kaudu vool jääb alati konstantseks.

Op Amp tagasiside kasutamine

Alloleval joonisel 7 on kujutatud tagasiside ahelaga op amp-ahel ideaalse autode LED-kontrolleri vooluahela valmistamiseks. Tagasisideühendus tagab väljundi automaatse reguleerimise, nii et selle negatiivse sisendi korral arenenud potentsiaal jääb võrdseks positiivse võrdlussisendiga.

Zeneri diood kinnitatakse tugipinge genereerimiseks opvõimendi mitteinverteeriva sisendi külge. Juhul kui valgusdioodide vool ületab ettemääratud väärtuse, arendab see sensoritakisti RS ulatuses proportsionaalset pinget, mis üritab ületada zeneri võrdlusväärtust.

Kuna see põhjustab op-võimendi negatiivse inverteeriva sisendi pinge positiivse zeneri võrdlusväärtuse ületamise, sunnib op-amp-väljund välja lülituma, mis omakorda vähendab LED-voolu ja ka RS-i pinget.

See olukord taastab op-võimendi väljundi taas sisselülitamiseks ja aktiveerib LED-i ning see op-võimendi isereguleeruv tegevus jätkub lõpmatuseni tagades, et LED-vool ei ületaks kunagi arvutatud ebaturvalist taset.

Joonis 8 illustreerib veel ühte tagasisidepõhist disaini, mis on tehtud paari BJT abil. Siin voolab vool R1 abil, lülitades sisse transistori Q1. Vool jätkab liikumist R2 kaudu, mis fikseerib LED-ide kaudu õige vooluhulga.

Kui see LED-i vool läbi R2 üritab ületada ettemääratud väärtust, suureneb ka pinge langus kogu R2-s proportsionaalselt. Hetkel, kui see pingelangus tõuseb kuni transistori Q2 baas-emitter pingeni (Vbe), hakkab Q2 sisse lülituma.

Sisse lülitatuna hakkab Q2 nüüd voolu voolama läbi R1, sundides Q1 välja lülituma ja seisund hoiab voolu ise läbi LED-i reguleerides, tagades, et LED-vool ei ületaks kunagi ohtlikku taset.

See transistoriseeritud voolu piiraja tagasisideahelaga tagab LED-idele pideva vooluvarustuse vastavalt R2 arvutatud väärtusele. Ülaltoodud näites on BJT-d rakendatud, kuid sellegipoolest on selles vooluringis MOSFET-e võimalik kasutada ka suurema vooluga rakenduste jaoks.

Integreeritud vooluahelat kasutavad püsivoolu LED-draiverid

Neid olulisi transistoripõhiseid ehitusplokke saab hõlpsasti kopeerida, et töötada mitmel LED-stringil, nagu on näidatud joonisel 9.

Rühma kontrollimine LED-stringid põhjustab kiiresti komponentide arvu tõusu, hõivates suurema PCB-ruumi ja kulutades rohkem üldotstarbelisi sisendi / väljundi (GPIO) tihvte.

Pealegi on sellised kujundused põhimõtteliselt ilma heleduse reguleerimise ja rikkediagnostika kaalutlusteta, mis on enamiku toite LED-rakenduste jaoks hädavajalik vajadus.

Spetsifikatsioonide, nagu heleduse reguleerimine ja rikete diagnostika, lisamiseks on vaja täiendavat arvu diskreetseid komponente ja lisatud disainianalüüsi protseduure.

LED-kujundused, mis sisaldavad suurem LED-de arv , põhjustab diskreetse vooluahela kujunduse suurema osade arvu, mis suurendab vooluahela keerukust.

Projekteerimisprotsessi sujuvamaks muutmiseks peetakse seda kõige tõhusamaks spetsialiseeritud IC-d, mis toimivad LED-draiveritena . Paljusid joonisel 9 näidatud eraldi komponente saab muuta IC-põhise LED-draiveriga lihtsamaks, nagu on näidatud joonisel 10.

Joonis # 10

LED-draiveri IC-d on spetsiaalselt loodud LED-ide kriitilise pinge, voolu ja temperatuuri spetsifikatsioonide lahendamiseks ning detailide ja plaatide mõõtmete minimeerimiseks.

Lisaks võivad LED-draiveri IC-del olla heleduse reguleerimise ja diagnostika lisafunktsioonid, sealhulgas kaitse üle temperatuuri. See tähendab, et ülaltoodud täiustatud funktsioone on võimalik saavutada ka diskreetsete BJT-põhiste kujundustega, kuid IC-d näivad olevat suhteliselt lihtsam alternatiiv.

Autode LED-rakenduste väljakutsed

Paljudes autode LED-rakendustes muutub heleduse juhtimine hädavajalikuks.

Kuna esivoolu IF reguleerimine LED-i abil reguleerib heledustaset proportsionaalselt, saab tulemuste saavutamiseks kasutada analoogkujundusi. Digitaalne LED-heleduse juhtimise meetod on PWM või impulsi laiuse modulatsioon. Järgmised üksikasjad analüüsivad kahte kontseptsiooni ja näitavad, kuidas neid saab rakendada autode LED-rakendustes

Erinevus analoog- ja PWM LED-heleduse juhtimise vahel

Joonisel 11 hinnatakse peamist erinevust LED-heleduse reguleerimise analoog- ja digitaalsete meetodite vahel.

Joonis # 11

Analoogse LED-heleduse juhtimise abil muudetakse LED-valgustust voolava voolu suuruse kaudu. Suurem vool suurendab heledust ja vastupidi.

Kuid analooghämarduse või heleduse reguleerimise kvaliteet ei ole rahuldav, eriti madalamate heleduse vahemike korral. Analooghämardus ei ole tavaliselt sobiv värvist sõltuvate LED-rakenduste jaoks, näiteks RGB valgustus või olekunäidikud, kuna erinev IF mõjutab LED-i värviväljundit, põhjustades RGB-LED-ide halva värvieralduse.

Seevastu PWM-põhised LED-dimmerid ärge muutke LED-i edasivoolu IF-d, pigem reguleerib intensiivsust, muutes LED-ide sisse / välja lülitamise kiirust. Seejärel otsustab LED-i keskmise sisselülitamise aja LED-voolu proportsionaalse heleduse. Seda nimetatakse ka töötsükliks (impulsi laiuse suhe PWM-i impulsi intervalli). Läbi PWM-i annab kõrgem töötsükkel suurema keskmise voolu LED-i kaudu, põhjustades suurema heleduse ja vastupidi.

Tulenevalt asjaolust, et saate töötsükli erinevatele valgustusvahemikele peeneks muuta, aitab PWM-i hämardamine saavutada analooghämardusega võrreldes palju laiema hämardussuhte.

Kuigi PWM tagab suurema heleduse reguleerimise väljundi, nõuab see rohkem disainianalüüsi. PWM-i sagedus peab olema palju suurem kui see, mida meie nägemine suudab tajuda, vastasel juhul võivad valgusdioodid lõpuks välja paista, nagu nad vilkuksid. Lisaks on PWM-i dimmerahelad tuntud elektromagnetiliste häirete (EMI) tekitamise poolest.

LED-draiverite häired

Autotööstuse LED-draiveri ahel, mis on ehitatud ebapiisava EMI-juhtimisega, võib ebasoodsalt mõjutada teisi naabruses asuvaid elektroonilisi tarkvarasid, näiteks raadiost või muust tundlikust heliseadmest suriseva müra tekitamist.

LED-draiveri IC-d pakuvad teile kindlasti nii analoog- kui ka PWM-i hämardamise funktsioone koos lisafunktsioonidega EMI vastu võitlemiseks, näiteks programmeeritav pöörlemissagedus või väljundkanali faasinihe või grupiviivitus.

LED-diagnostika ja riketest teatamine

LED-diagnostika, mis hõlmab ülekuumenemist, lühist või avatud vooluahelat, on populaarne disaini eeltingimus, eriti kui rakendus nõuab mitme LED-i kasutamist. LED-i talitlushäirete riski minimeerimisel on LED-draiveritel reguleeritud väljundvool suurema täpsusega kui transistoripõhistel diskreetsetel draiveritel.

Koos sellega integreerivad IC-draiverid ka ülekuumenemiskaitse, et tagada LEDide ja draiveri enda pikem eeldatav eluiga.

Autodele mõeldud LED-draiverid peavad olema varustatud vigade tuvastamiseks, näiteks LED-ide avatud või lühise tuvastamiseks. Mõni rakendus võib vajada avastatud tõrke kõrvaldamiseks ka järelmeetmeid.

Näiteks auto tagatulemoodul sisaldab mitmeid LED-e stringe tagatulede ja piduritulede valgustamiseks. Juhul kui ühes LED-stringis avastatakse katkine LED-rike, peab vooluahel suutma kogu LED-d välja lülitada, et oleks võimalik vältida ülejäänud LED-ide edasist kahjustamist.

See toiming hoiataks kasutajat ka mittestandardsete halvenenud LED-moodulite eest, mis tuleb desinstallida ja saata tootjale hoolduseks.

Kere juhtimismoodulid (BCM)

Autotarbijale diagnostikahoiatuse edastamiseks tuleb keskuses asuv intelligentne ülemise lüliti lüliti kere juhtimismoodul (BCM) registreerib rikke tagatuleelemendi kaudu, nagu on näidatud ülaltoodud joonisel 12.

Seda öeldes võib LED-rikke tuvastamine BCM-i kaudu olla keeruline. Mõnikord võite kasutada sama BCM-plaadi kujundust tavalise hõõglampipõhise vooluahela või LED-põhise süsteemi tuvastamiseks, kuna LED-vool kipub olema hõõglambi tarbimise asemel oluliselt väiksem, eristades loogilist LED-koormust.

Järeldus

Lahtist või lahti ühendatud koormust võib olla raske tuvastada, kui voolutundlik diagnostika pole täpselt kavandatud. Individuaalse avatud LED-stringi asemel on kogu LED-stringide välja lülitamine BCM-i jaoks hõlpsamini tuvastatav avatud koormuse olukorrast teatamiseks. Tingimus, mis tagab, et kui ühe LED-i rikke korral saab täita kõigi LED-rikke kriteeriumi, siis saab ühe LED-rikke tuvastamisel kõik LED-id välja lülitada. Autode lineaarsed LED-draiverid sisaldavad funktsiooni, mis võimaldab reageerida ühele tõrkele-kõik-ebaõnnestumisele ja suudab tuvastada ühise vea bussi mitmes IC-konfiguratsioonis.




Eelmine: Kuidas koroonaviirust tappa osoonigaasigeneraatoriga Järgmine: Diac - töö- ja rakendusahelad