Automotive LED Driver Circuits - Ontwerpanalyse

Probeer Ons Instrument Voor Het Oplossen Van Problemen





In auto's of auto's zijn LED's uitgegroeid tot de voorkeurskeuze voor verlichting. Of het nu de achterlichten zijn of de verklikkerlichten in het cluster, zoals aangegeven in afbeelding 1 hieronder, ze zijn tegenwoordig allemaal voorzien van leds. Hun compacte afmetingen dragen bij aan veelzijdigheid in ontwerp en bieden de mogelijkheid om net zo duurzaam te zijn als de levensverwachting van het voertuig zelf.

Figuur 1



Aan de andere kant, hoewel LED's zeer efficiënte apparaten zijn, zijn ze kwetsbaar voor verslechtering door ongereguleerde spannings-, stroom- en temperatuurparameters, vooral in het harde auto-ecosysteem.

Om de efficiëntie en duurzaamheid van LED-licht te kunnen verbeteren, LED driver circuit ontwerp vereist een voorzichtige analyse.



Elektronische schakelingen die als led-drivers worden toegepast, maken in principe gebruik van transistors. Een standaard circuittopologie die vaak wordt gebruikt in LED-stuurprogramma's is toevallig de lineaire topologie, waarbij de transistor is ontworpen om binnen het lineaire gebied te werken.

Deze topologie geeft ons de mogelijkheid om stuurcircuits alleen via transistors of met behulp van gespecialiseerde IC's met ingebouwde transistors en extra LED-verbeteringsfuncties.

In discrete toepassingen zijn bipolaire junctie-transistors (BJT's), die zeer toegankelijke basisproducten zijn, vaak de favoriet.

Ondanks het feit dat BJT's eenvoudig te configureren zijn vanuit het oogpunt van een circuit, kunnen er grote complicaties optreden bij het creëren van een totale LED-driveroplossing die voldoet aan de huidige regelnauwkeurigheid, PCB-afmetingen, warmtebeheer en foutdiagnose, wat een paar belangrijke voorwaarden zijn. het gehele werkende voedingsspanning- en temperatuurbereik.

Bovendien, zoals de aantal leds neemt toe wordt het circuitontwerp met discrete BJT-fasen nog geavanceerder.

In vergelijking met discrete onderdelen, aanbrengen IC-gebaseerde alternatieven lijken handiger met betrekking tot de lay-out van de schakeling, maar ook met betrekking tot het ontwerp en de evaluatieprocedures.

Daarnaast is de algemene remedie misschien nog wel betaalbaarder.

Parameters voor het ontwerpen van LED-stuurprogramma's voor auto's

Daarom, bij het ontwerpen van LED-stuurcircuits voor een automotive verlichting toepassing is het essentieel om LED-focuspunten te overwegen, alternatieven voor circuitontwerp te evalueren en factoren in de systeemvereisten te beoordelen.

Een LED is eigenlijk een P-type N-type (PN) junctiediode waardoor de stroom er maar in één richting doorheen kan bewegen. De stroom begint te stromen zodra de spanning over de LED de minimale doorlaatspanning (VF) bereikt.

Het verlichtingsniveau of de helderheid van een LED wordt bepaald door de voorwaartse stroom (IF), terwijl de hoeveelheid stroom die een LED verbruikt afhangt van de spanning die over de LED wordt aangelegd.

Hoewel de LED-helderheid en de voorwaartse stroom IF lineair gerelateerd zijn, kan zelfs een kleine toename van de voorwaartse spanning VF over de LED een snelle escalatie van de stroomopname van de LED veroorzaken.

Leds met verschillende kleurspecificaties hebben verschillende VF- en IF-specificaties vanwege hun specifieke halfgeleideringrediënten (Figuur 2). Het is noodzakelijk om rekening te houden met de specificaties van de datasheet van elke LED, in het bijzonder bij het toepassen van LED's met verschillende kleuren binnen één circuit.

Figuur 2

Bijvoorbeeld bij het ontwikkelen met rood-groen-blauwe (RGB) verlichting , kan een rode LED worden geleverd met een doorlaatspanning van ongeveer 2 V, terwijl hetzelfde voor een blauwe en groene LED ongeveer 3 tot 4 V kan zijn.

Aangezien u deze LED's op één gemeenschappelijke voedingsspanning gebruikt, heeft u wellicht een goed berekende stroombeperkende weerstand voor elk van de gekleurde LED's, om LED-achteruitgang te voorkomen.

Thermische en energie-efficiëntie

Afgezien van voedingsspanning en stroomparameters, vereisen temperatuur en energie-efficiëntie ook een zorgvuldige analyse. Hoewel de meeste stroom die over een LED wordt aangelegd, wordt omgezet in LED-licht, wordt een kleine hoeveelheid stroom omgezet in warmte binnen de PN-overgang van het apparaat.

De temperatuur die over een LED-junctie wordt gegenereerd, kan ernstig worden beïnvloed door een paar externe parameters, zoals:

  • door de atmosferische temperatuur (TA),
  • door de thermische weerstand tussen de LED-junctie en omgevingslucht (RθJA),
  • en door de vermogensdissipatie (PD).

De volgende vergelijking 1 onthult de vermogensdissipatiespecificatie PD van een LED:

PD = VF × IF ------------ Eq # 1

Met behulp van het bovenstaande kunnen we verder de volgende vergelijking afleiden die de junctietemperatuur (TJ) van een LED berekent:

TJ = TA + RθJA × PD ---------- Eq #2

Het is essentieel om de TJ niet alleen onder normale werkomstandigheden te bepalen, maar ook onder een absoluut maximale omgevingstemperatuur TA van het ontwerp, met het oog op problemen in het ergste geval.

Naarmate de temperatuur TJ van de LED-junctie toeneemt, verslechtert de werkefficiëntie. De voorwaartse stroom IF en junctietemperatuur TJ van een LED moeten onder hun absolute maximumwaarden blijven, zoals geclassificeerd door de datasheets, om te beschermen tegen vernietiging (Figuur 3).

Figuur 3

Naast de LED's moet u ook rekening houden met de energie-efficiëntie van weerstanden en de aandrijfelementen zoals BJT's en operationele versterkers (opamps), met name naarmate het aantal discrete componenten toeneemt.

Onvoldoende vermogensefficiëntie van de drivertrappen, de LED-aan-tijdsperiode en / of de omgevingstemperatuur al deze factoren kunnen leiden tot een stijging van de temperatuur van het apparaat, waardoor de stroomuitvoer van de BJT-driver wordt beïnvloed en de VF-daling van de LED's wordt verminderd .

Naarmate de temperatuurstijging de voorwaartse spanningsval van de LED's vermindert, stijgt het stroomverbruik van de LED, wat leidt tot een proportioneel grotere vermogensdissipatie PD en temperatuur, en dit veroorzaakt een verdere vermindering van de voorwaartse spanningsval VF van de LED.

Deze cyclus van een continue temperatuurstijging, ook wel 'thermal runaway' genoemd, dwingt de LED's om boven hun optimale bedrijfstemperatuur te functioneren, wat een snelle degradatie en op een bepaald moment uitval van het apparaat veroorzaakt vanwege een hoger niveau van IF-verbruik. .

Lineaire LED-stuurprogramma's

Het lineair laten lopen van LED's via transistors of IC's is eigenlijk best handig. Van alle mogelijkheden is de meest eenvoudige benadering om een ​​LED aan te sturen, deze meestal dwars over de voedingsspanningsbron (VS) aan te sluiten.

Het hebben van de juiste stroombeperkende weerstand beperkt de stroomafname van het apparaat en corrigeert een nauwkeurige spanningsval voor de LED. De volgende vergelijking 3 kan worden gebruikt om de waarde van de serieweerstand (RS) te berekenen:

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

Verwijzend naar figuur # 4 zien we dat 3 LED's in serie worden gebruikt, de volledige spanningsval VF over de 3 LED's moet in aanmerking worden genomen bij de VF-berekening (de voorwaartse stroom IF van de LED blijft constant.)

Figuur 4

Hoewel dit de eenvoudigste configuratie van de LED-driver kan zijn, kan het in een real-life implementatie behoorlijk onpraktisch zijn.

Voedingen, met name auto-accu's, zijn gevoelig voor spanningsschommelingen.

Een kleine toename van de voedingsingang zorgt ervoor dat de LED grotere hoeveelheden stroom trekt en bijgevolg vernietigd wordt.

Bovendien verhoogt een overmatige vermogensdissipatie PD in de weerstand de temperatuur van het apparaat, wat kan leiden tot thermische oververhitting.

Discrete LED-stuurprogramma's met constante stroom voor automobieltoepassingen

Wanneer een constante stroomfunctie wordt gebruikt, zorgt dit voor een verbeterde energiezuinige en betrouwbare lay-out. Aangezien de meest gangbare techniek om een ​​LED te laten werken is door het aan en uit te schakelen, maakt een transistor een goed geregelde stroomtoevoer mogelijk.

Figuur # 5

Verwijzend naar afbeelding 5 hierboven, is het misschien mogelijk om voor een BJT of een MOSFET te kiezen, op basis van de spannings- en stroomspecificaties van de LED-configuratie. Transistors kunnen gemakkelijk een groter vermogen verwerken in vergelijking met een weerstand, maar zijn gevoelig voor spanningspieken en dalen en temperatuurschommelingen. Wanneer de spanning rond een BJT bijvoorbeeld stijgt, neemt ook de stroom evenredig toe.

Om extra stabiliteit te garanderen, is het mogelijk om deze BJT- of MOSFET-circuits aan te passen om een ​​constante stroom te leveren ondanks onbalans in de voedingsspanning.

Het ontwerpen van LED-stroombron

De figuren 6 tot 8 tonen een handvol stroombroncircuitillustraties.

In figuur 6 genereert een zenerdiode een stabiele uitgangsspanning in de basis van de transistor.

De stroombegrenzende weerstand RZ zorgt voor een gecontroleerde stroom om de zenerdiode correct te laten werken.

De zenerdiode-uitgang produceert een constante spanning ondanks fluctuaties in de voedingsspanning.

De spanningsval over de emitterweerstand RE moet de spanningsval van de zenerdiode aanvullen, daarom past de transistor de collectorstroom aan die ervoor zorgt dat de stroom door de leds altijd constant blijft.

Met behulp van een Op Amp-feedback

In figuur 7 hieronder wordt een opamp-circuit met een feedbacklus getoond om een ​​ideaal LED-controllercircuit voor auto's te maken. De terugkoppelingsverbinding zorgt ervoor dat de uitgang automatisch wordt aangepast zodat de potentiaal die wordt ontwikkeld aan de negatieve ingang gelijk blijft aan de positieve referentie-ingang.

Een zenerdiode wordt geklemd om een ​​referentiespanning te genereren aan de niet-inverterende ingang van de opamp. In het geval dat de stroom van de LED een vooraf bepaalde waarde overschrijdt, ontwikkelt deze een evenredige hoeveelheid spanning over de meetweerstand RS, die probeert de zener-referentiewaarde te overschrijden.

Omdat hierdoor de spanning op de negatieve inverterende ingang van de opamp de positieve referentiewaarde van de opamp overschrijdt, wordt de opamp-uitgang gedwongen om UIT te schakelen, wat op zijn beurt de LED-stroom en ook de spanning over RS ​​vermindert.

Deze situatie zorgt ervoor dat de opamp-uitgang opnieuw wordt ingeschakeld en de LED wordt geactiveerd, en deze zelfaanpassende actie van de opamp gaat oneindig door, zodat de LED-stroom nooit het berekende onveilige niveau overschrijdt.

Afbeelding 8 hierboven illustreert nog een op feedback gebaseerd ontwerp dat is bereikt met behulp van een paar BJT's. Hier vloeit de stroom door R1, waardoor transistor Q1 wordt ingeschakeld. De stroom gaat verder via R2, die de juiste hoeveelheid stroom door de LED's fixeert.

In het geval dat deze LED-stroom door R2 probeert de vooraf bepaalde waarde te overschrijden, neemt ook de spanningsval over R2 proportioneel toe. Op het moment dat deze spanningsval stijgt tot de basis-naar-emitterspanning (Vbe) van transistor Q2, begint Q2 AAN te gaan.

Ingeschakeld worden Q2 begint nu stroom door R1 te trekken, waardoor Q1 wordt gedwongen om uit te schakelen en de toestand blijft de stroom door de LED zelf aanpassen om ervoor te zorgen dat de LED-stroom nooit verder gaat dan het onveilige niveau.

Dit getransistoriseerde stroombegrenzer met terugkoppellus garandeert een constante stroomtoevoer naar de leds volgens de berekende waarde van R2. In het bovenstaande voorbeeld zijn BJT's geïmplementeerd, maar desalniettemin is het ook mogelijk om MOSFET's in dit circuit te gebruiken voor toepassingen met een hogere stroomsterkte.

Constante stroom LED-stuurprogramma's met behulp van geïntegreerde schakelingen

Deze essentiële transistorgebaseerde bouwstenen kunnen eenvoudig worden gerepliceerd om verschillende LED-reeksen te bedienen, zoals weergegeven in figuur 9.

Besturen van een groep LED-snaren zorgt er snel voor dat het aantal componenten stijgt, waardoor meer PCB-ruimte wordt ingenomen en meer GPIO-pinnen (general-purpose input / output) worden verbruikt.

Bovendien zijn dergelijke ontwerpen in principe zonder overwegingen met betrekking tot helderheidsregeling en foutdiagnose, die essentiële behoeften zijn voor de meeste power LED-toepassingen.

Voor het opnemen van de specificaties zoals helderheidsregeling en foutdiagnose is een extra aantal discrete componenten en extra ontwerpanalyseprocedures vereist.

LED-ontwerpen waaronder hoger aantal leds , zorgt ervoor dat discrete circuitontwerpen een groter aantal onderdelen bevatten, waardoor de complexiteit van het circuit toeneemt.

Om het ontwerpproces te stroomlijnen, wordt het als het meest effectief beschouwd om toe te passen gespecialiseerde IC's om te functioneren als LED-stuurprogramma's ​Veel van de afzonderlijke componenten, zoals aangegeven in afbeelding 9, kunnen eenvoudiger worden gemaakt met een op IC gebaseerde LED-driver, zoals weergegeven in afbeelding 10.

Figuur 10

LED-driver-IC's zijn speciaal ontworpen voor het aanpakken van kritische spannings-, stroom- en temperatuurspecificaties van LED's, en ook voor het minimaliseren van het aantal onderdelen en bordafmetingen.

Bovendien kunnen LED-driver-IC's extra functies hebben voor helderheidsregeling en diagnostiek, inclusief bescherming tegen te hoge temperaturen. Dat gezegd hebbende, is het misschien mogelijk om de bovenstaande geavanceerde functies te bereiken met behulp van discrete op BJT gebaseerde ontwerpen, maar IC's lijken in vergelijking een eenvoudiger alternatief te zijn.

Uitdagingen in LED-toepassingen voor auto's

In veel auto-LED-implementaties wordt helderheidsregeling een essentiële noodzaak.

Omdat het aanpassen van de voorwaartse stroom IF via de LED het helderheidsniveau proportioneel aanpast, kunnen analoge ontwerpen worden gebruikt om de resultaten te bereiken. Een digitale methode voor het regelen van de led-helderheid is via PWM- of pulsbreedtemodulatie. De volgende details analyseren de twee concepten en laten zien hoe ze kunnen worden toegepast voor automotive LED-toepassingen

Verschil tussen analoge en PWM LED-helderheidsregeling

Figuur 11 evalueert het belangrijkste verschil tussen analoge en digitale methoden om de LED-helderheid te regelen.

Figuur 11

Door gebruik te maken van analoge LED-helderheidsregeling, wordt de LED-verlichting gewijzigd door de grootte van de vloeiende stroom, grotere stroom resulteert in verhoogde helderheid en vice versa.

Maar de kwaliteit van analoog dimmen of helderheidsregeling is niet bevredigend, met name bij lagere helderheidsbereiken. Analoog dimmen is meestal niet geschikt voor kleurafhankelijke LED-toepassingen, zoals RGB-verlichting of statusindicatoren, aangezien variërende IF de kleuruitvoer van de LED beïnvloedt, wat een slechte kleurresolutie van de RGB-LED's veroorzaakt.

In tegenstelling tot, PWM-gebaseerde LED-dimmers verander de LED voorwaartse stroom IF niet, maar regelt eerder de intensiteit door de AAN / UIT schakelsnelheid van de LED's te variëren. Vervolgens bepaalt de gemiddelde AAN-tijd van de LED-stroom de evenredige helderheid op de LED. Het wordt ook wel de duty-cycle genoemd (de verhouding van pulsbreedte over het pulsinterval van de PWM). Via PWM resulteert een hogere inschakelduur in een hogere gemiddelde stroom door de LED, waardoor een hogere helderheid ontstaat en vice versa.

Omdat u in staat bent om de inschakelduur nauwkeurig aan te passen aan verschillende verlichtingsbereiken, helpt PWM-dimmen om een ​​veel bredere dimverhouding te bereiken in vergelijking met analoog dimmen.

Hoewel PWM een verbeterde output van de helderheidsregeling garandeert, is meer ontwerpanalyse nodig. De PWM-frequentie moet een stuk hoger zijn dan wat ons zicht kan waarnemen, anders kunnen de LED's verschijnen alsof ze flikkeren. Bovendien zijn PWM-dimcircuits berucht vanwege het genereren van elektromagnetische interferentie (EMI).

Interferentie van LED-stuurprogramma's

Een LED-stuurcircuit voor auto's dat is gebouwd met inadequate EMI-regeling, kan een nadelige invloed hebben op andere naburige elektronische software, zoals het genereren van zoemend geluid in radio- of soortgelijke gevoelige audioapparatuur.

LED-driver-IC's kunnen u zeker voorzien van zowel analoge als PWM-dimfuncties, samen met aanvullende functies om EMI aan te pakken, zoals programmeerbare zwenksnelheid of faseverschuiving van het uitgangskanaal of groepsvertraging.

LED-diagnose en foutrapportage

LED-diagnostiek, waaronder oververhitting, kortsluiting of open circuit, is een populaire ontwerpvoorwaarde, vooral wanneer de toepassing meerdere LED-werking vereist. Om het risico op LED-storingen te minimaliseren, hebben LED-drivers een gereguleerde uitgangsstroom met een grotere precisie dan transistorgebaseerde discrete driver-topolgies.

Daarnaast bevatten IC-stuurprogramma's bovendien bescherming tegen oververhitting om een ​​hogere operationele levensverwachting van de LED's en het stuurcircuit zelf te garanderen.

LED-stuurprogramma's die zijn ontworpen voor auto's, moeten zijn uitgerust om fouten te detecteren, bijvoorbeeld een LED die open is of kortsluiting. Voor enkele toepassingen kunnen ook vervolgmaatregelen nodig zijn om een ​​gedetecteerde fout te verhelpen.

Een auto-achterlichtmodule omvat bijvoorbeeld een aantal reeksen LED's om achterlichten en remlichten te verlichten. In het geval dat een kapotte LED-fout wordt gedetecteerd in een van de LED-strings, moet het circuit de volledige reeks LED's kunnen uitschakelen om ervoor te zorgen dat verdere schade aan de resterende LED's kan worden voorkomen.

De actie zou de gebruiker ook waarschuwen voor de niet-standaard gedegradeerde LED-module die moet worden verwijderd en voor onderhoud naar de fabrikant moet worden gestuurd.

Body Control Modules (BCM)

Om de autogebruiker een diagnostische waarschuwing te kunnen geven, is een intelligente high-side schakelaar in de lichaamscontrole module (BCM) registreert een fout via het achterlichtelement, zoals geïllustreerd in de bovenstaande afbeelding 12.

Dat gezegd hebbende, kan de identificatie van een LED-fout via de BCM gecompliceerd zijn. Af en toe kunt u hetzelfde BCM-kaartontwerp gebruiken om een ​​standaard op gloeilampen gebaseerde schakelingen of een op LED's gebaseerd systeem te detecteren, omdat de LED-stroom meestal aanzienlijk kleiner is in tegenstelling tot het verbruik van gloeilampen, wat onderscheid maakt tussen een logische LED-belasting.

Gevolgtrekking

Een open of losgekoppelde belasting kan moeilijk te identificeren zijn als de current-sense diagnostiek niet nauwkeurig is ontworpen. In plaats van een individuele open LED-string te hebben, wordt het uitschakelen van de hele string LED-strings gemakkelijker detecteerbaar voor de BCM voor het rapporteren van een open laadsituatie. Een voorwaarde die ervoor zorgt dat als één LED-fout optreedt, het criterium All-LED-fail kan worden uitgevoerd om alle LED's uit te schakelen bij het detecteren van een enkele LED-fout. Lineaire LED-drivers voor auto's bevatten de functie die een reactie van één keer mislukken mogelijk maakt en die een veelvoorkomende foutbus kan identificeren in meerdere IC-configuraties.




Een paar: Hoe Coronavirus te doden met ozongasgenerator Volgende: Diac - Werk- en toepassingscircuits