Аутомобилски ЛЕД управљачки кругови - анализа дизајна

У аутомобилима или аутомобилима, ЛЕД диоде су постале најпожељнији избор осветљења. Било да се ради о задњим задњим светлима или индикаторима контролне лампице у склопу, како је приказано на слици 1 доле, сви данас имају ЛЕД диоде. Њихове компактне димензије помажу свестраности у дизајну и нуде перспективу да буду једнако издржљиве колико и сам животни век возила.

Слика 1

С друге стране, иако су ЛЕД диоде високо ефикасни уређаји, они су подложни погоршању услед нерегулисаних параметара напона, струје и температуре, посебно у суровим аутомобилским екосистемима.

Да бисте могли да побољшате ефикасност и трајност ЛЕД светла, Дизајн кола за ЛЕД возача захтева опрезну анализу.

Електронски склопови који се примењују као ЛЕД покретачи у основи користе транзисторе. Једна стандардна топологија кола која се често користи у ЛЕД драјверима је линеарна топологија, где је транзистор дизајниран да ради унутар линеарног подручја.

Ова топологија даје нам могућност израде управљачки кругови само преко транзистора или коришћење специјализованих ИЦ са уграђеним транзисторима и додатним функцијама за побољшање ЛЕД-а.

У дискретним апликацијама, биполарни спојни транзистори (БЈТ), који су високо доступни робни производи, имају тенденцију да буду омиљени.

Упркос чињеници да је БЈТ-ове једноставно конфигурисати са становишта кола, велике компликације се могу наћи приликом стварања укупног решења за управљачки програм који испуњава тренутну тачност управљања, димензију ПЦБ-а, управљање грејањем и дијагнозу кварова, што је неколико важних предуслова током читав радни напон напајања и опсег температуре.

Даље, као количина ЛЕД-а се повећава , дизајн кола користећи дискретне БЈТ фазе постаје још софистициранији.

У поређењу са дискретним деловима, наношење Алтернативе засноване на ИЦ чини се да су погоднији с обзиром на распоред кола, али поред тога и поступке дизајнирања и оцењивања.

Поред тога, општи лек може бити још приступачнији.

Параметри за пројектовање аутомобилских ЛЕД управљачких програма

Стога, приликом дизајнирања управљачких кола за ЛЕД за аутомобилско осветљење примене, неопходно је сагледати фокусне тачке за ЛЕД, проценити алтернативе дизајна кола и факторе у системским захтевима.

ЛЕД је заправо спојна диода Н типа (П) типа П која омогућава струји да се кроз њу креће само у једном смеру. Струја почиње да тече чим напон на ЛЕД-у достигне минимални предњи напон (ВФ).

Ниво осветљености или осветљеност ЛЕД-а одређује се предњом струјом (ИФ), док количина струје коју ЛЕД троши зависи од напона примењеног на ЛЕД-у.

Иако су осветљеност ЛЕД-а и истурена струја ИФ линеарно повезане, чак и благи пораст напона ВФ на ЛЕД-у може покренути брзу ескалацију тренутног уноса ЛЕД-а.

ЛЕД диоде са различитим спецификацијама боја имају различите ВФ и ИФ спецификације због својих специфичних полупроводничких састојака (слика 2). Неопходно је узети у обзир спецификације листова података сваке ЛЕД диоде, посебно приликом примене различитих ЛЕД боја у оквиру једног кола.

Слика # 2

На пример, када се развија са црвено-зелено-плаво (РГБ) осветљење , црвена ЛЕД може доћи са напоном напона од око 2 В, док иста за плаву и зелену ЛЕД може бити око 3 до 4 В.

Узимајући у обзир да овим ЛЕД-има управљате из једног заједничког напона, можда ће вам требати добро израчунати отпорник за ограничавање струје за сваку од обојених ЛЕД диода, како би се избегло погоршање ЛЕД диода.

Топлотна и енергетска ефикасност

Поред параметара напона и струје напајања, температура и ефикасност напајања такође захтевају пажљиву анализу. Иако се већина струје примењене на ЛЕД претвара у ЛЕД светло, мала снага се претвара у топлоту унутар ПН споја уређаја.

На температуру генерисану на ЛЕД споју може озбиљно утицати неколико спољних параметара као што су:

• према атмосферској температури (ТА),
• топлотним отпором између ЛЕД споја и амбијенталног ваздуха (РθЈА),
• и расипањем снаге (ПД).

Следећа једначина 1 открива спецификацију расипања снаге ПД ЛЕД-а:

ПД = ВФ × ИФ ------------ Једначина # 1

Уз помоћ горе наведеног, можемо даље извести следећу једначину која израчунава температуру споја (ТЈ) ЛЕД-а:

ТЈ = ТА + РθЈА × ПД ---------- Једначина # 2

Неопходно је одредити ТЈ не само под нормалним радним условима, већ и под апсолутном максималном температуром амбијента ТА дизајна, с обзиром на најгоре могуће случајеве.

Како се температура споја ЛЕД ТЈ повећава, ефикасност његовог рада се погоршава. Прави тренутни ИФ и температура споја ТЈ ЛЕД морају остати испод њихових апсолутних максималних оцена, класификованих у таблицама података, како би се заштитило од уништавања (слика 3).

Слика # 3

Поред ЛЕД диода, требало би да узмете у обзир и енергетску ефикасност отпорника и погонских елемената као што су БЈТ и оперативна појачала (опцијска појачала), посебно са повећањем количине дискретних компонената.

Неадекватна ефикасност напајања степеништа возача, период укључења ЛЕД диоде и / или температура околине сви ови фактори могу довести до пораста температуре уређаја, утичући на тренутни излаз БЈТ возача и смањујући ВФ пад ЛЕД диода .

Како пораст температуре смањује пад напона ЛЕД-а, тренутна потрошња ЛЕД-а расте, што доводи до пропорционално повећаног расипања снаге ПД и температуре, што доводи до даљег смањења пада напона ВФ ЛЕД-а.

Овај циклус континуираног пораста температуре, који се назива и „термички одбег“, присиљава ЛЕД да функционишу изнад њихове оптималне радне температуре, узрокујући брзу деградацију и у неком тренутку квар уређаја, због повећаног нивоа ИФ потрошње .

Линеарни ЛЕД драјвери

Управљање ЛЕД диодама линеарно преко транзистора или ИЦ-а заправо је прилично згодно. Од свих могућности, најједноставнији приступ контроли ЛЕД-а је обично повезивање тачно преко извора напајања (ВС).

Имајући прави отпорник за ограничавање струје ограничава струјање уређаја и поправља тачан пад напона за ЛЕД. Следећа једначина 3 може се користити за израчунавање вредности серијског отпорника (РС):

РС = ВС - ВФ / ИФ ---------- Једначина # 3

Позивајући се на Слику # 4, видимо да се користе 3 ЛЕД диоде у серији, целокупан пад напона ВФ на 3 ЛЕД диоде треба узети у обзир при израчунавању ВФ (предња струја ЛЕД ЛЕД-а остаје константна.)

Слика # 4

Иако ово може бити најједноставнија конфигурација ЛЕД управљачког програма, у стварној примени може бити прилично непрактично.

Напајања, посебно аутомобилске батерије, подложна су осцилацијама напона.

Мањи пораст улаза напајања покреће ЛЕД да повуче веће количине струје и последично се уништи.

Даље, прекомерно расипање снаге ПД у отпорнику повећава температуру уређаја, што може довести до топлотног бекства.

Дискретни константно-текући ЛЕД управљачки програми за аутомобилску примену

Када се користи функција сталне струје, она обезбеђује побољшани енергетски ефикасан и поуздан распоред. Будући да је најраспрострањенија техника за управљање ЛЕД диодама преко укључивања и искључивања, транзистор омогућава добро регулисано напајање струјом.

Слика 5

Позивајући се на горњу слику 5, можда је могуће одабрати БЈТ или МОСФЕТ, на основу спецификација напона и струје ЛЕД конфигурације. Транзистори се лако носе са већом снагом у поређењу са отпорником, али су подложни успонима и падовима напона и температурним варијацијама. На пример, када напон око БЈТ порасте, његова струја се такође пропорционално повећава.

Да би се загарантовала додатна стабилност, могуће је прилагодити ове БЈТ или МОСФЕТ склопове тако да испоручују константну струју упркос томе што имају неравнотежу у напону напајања.

Дизајнирање ЛЕД извора струје

Слике 6 до 8 приказују прегршт илустрација кола струјних извора.

На слици 6, Зенер диода генерише стабилан излазни напон у бази транзистора.

Отпорник за ограничавање струје РЗ осигурава контролисану струју како би Зенер диода могла да ради исправно.

Излаз Зенер диоде производи константан напон упркос осцилацијама напона напајања.

Пад напона на отпорнику емитора РЕ требало би да допуни пад напона Зенер диоде, стога транзистор подешава колекторску струју која осигурава да струја кроз ЛЕД диоде увек остане константна.

Коришћење повратних информација о опционим појачалима

На слици 7 доле је приказано оптичко коло са повратном петљом за израду идеалног кола аутомобилског ЛЕД контролера. Повратна веза осигурава да се излаз аутоматски подешава како би потенцијал развијен на његовом негативном улазу остао једнак његовом позитивном референтном улазу.

Зенер диода је стегнута да генерише референтни напон на неинвертујућем улазу оп амператора. У случају да струја ЛЕД-а премаши унапред утврђену вредност, она развија пропорционалну количину напона на чулном отпору РС, који покушава да премаши референтну вредност зенера.

Будући да ово доводи до тога да напон на негативном инвертирајућем улазу оп амператора премашује позитивну референтну ценер вредност, приморава опцијски излаз да се ИСКЉУЧИ што заузврат смањује ЛЕД струју и напон на РС.

Ова ситуација поново враћа излаз опционог појачала да би се укључио и активира ЛЕД, а ово самоподесиво деловање опцијског појачала наставља се бесконачно осигуравајући да ЛЕД струја никада не пређе израчунати небезбедан ниво.

Слика 8 горе илуструје још један дизајн заснован на повратним информацијама изведен коришћењем неколико БЈТ-ова. Овде струја тече помоћу Р1, УКЉУЧУЈУЋИ транзистор К1. Струја се наставља кретати преко Р2, који фиксира тачну количину струје кроз ЛЕД диоде.

У случају да ова ЛЕД струја кроз Р2 покуша да премаши унапред задату вредност, пад напона на Р2 такође се пропорционално повећава. Оног тренутка када се овај пад напона подигне до напона од базе до емитора (Вбе) транзистора К2, К2 почиње да се УКЉУЧУЈЕ.

Укључивањем К2 сада почиње да црта струју кроз Р1, присиљавајући К1 да се почне искључивати, а стање наставља да самостално прилагођава струју кроз ЛЕД осигуравајући да ЛЕД струја никада не пређе ниво који није сигуран.

Ово транзисторизовани граничник струје са повратном петљом гарантује константно напајање ЛЕД диода према израчунатој вредности Р2. У горњем примеру су примењени БЈТ-ови, али је такође могуће користити МОСФЕТ-ове у овом колу, за примену јачих струја.

ЛЕД драјвери константне струје који користе интегрисане склопове

Ови основни блокови засновани на транзисторима могу се лако пресликати да би управљали са неколико низова ЛЕД-а, као што је приказано на слици 9.

Контролисање групе од ЛЕД жице брзо доводи до пораста броја компонената, заузимајући већи простор на ПЦБ-у и трошећи већи број опћенито улазних / излазних пинова (ГПИО).

Штавише, такви дизајни у основи немају контролу осветљености и разматрање дијагностике грешака, што је суштинска потреба за већину ЛЕД напајања.

За укључивање спецификација попут контроле осветљености и дијагностике грешака потребан је додатни број дискретних компоненти и додани поступци анализе дизајна.

ЛЕД дизајни који укључују већи број ЛЕД диода , доводи до тога да дизајни дискретних кола укључују већи број делова, повећавајући сложеност кола.

Да би се процес дизајнирања поједноставио, сматра се најефикаснијим за примену специјализоване ИЦ да функционишу као ЛЕД покретачи . Много дискретних компонената, као што је приказано на слици 9, могло би се олакшати помоћу ЛЕД управљачког програма заснованог на ИЦ-у, као што је приказано на слици 10.

Слика # 10

ИЦ управљачке схеме за ЛЕД су посебно дизајниране за бављење критичним спецификацијама напона, струје и температуре ЛЕД диода, а такође и за смањење броја делова и димензија плоче.

Даље, ИЦ управљачке јединице ЛЕД могу имати додатне функције за контролу осветљености и дијагностику, укључујући заштиту од превисоке температуре. Упркос томе, можда је могуће постићи горе наведене напредне функције користећи и дискретне дизајне засноване на БЈТ-у, али чини се да су ИЦ-ови упоредно лакша алтернатива.

Изазови у примени ЛЕД аутомобила

У многим аутомобилским ЛЕД применама, контрола осветљености постаје неопходна потреба.

Будући да подешавање напонске струје ИФ кроз ЛЕД подешава ниво осветљености пропорционално, аналогни дизајни се могу користити за постизање резултата. Дигитална метода ЛЕД осветљености је путем ПВМ или модулације ширине импулса. Следећи детаљи анализирају два концепта и показују како се могу применити за аутомобилске ЛЕД примене

Разлика између аналогне и ПВМ ЛЕД осветљености

Слика 11 оцењује главну разлику између аналогних и дигиталних метода управљања осветљеношћу ЛЕД диода.

Слика # 11

Коришћењем аналогне ЛЕД контроле осветљености, ЛЕД осветљење се мења кроз величину текуће струје, већа струја доводи до повећане осветљености и обрнуто.

Али, квалитет аналогног затамњења или контроле осветљености није задовољавајући, посебно при нижим опсезима осветљености. Аналогно затамњење обично није прикладно за ЛЕД зависне боје, попут РГБ осветљења или индикатора статуса, јер различити ИФ тежи да утиче на излаз боје ЛЕД-а, узрокујући лошу резолуцију боја РГБ ЛЕД-а.

У супротности, ЛЕД затамњивачи засновани на ПВМ-у не мењајте ЛЕД предњу струју ИФ, већ контролишете интензитет променом ОН / ОФФ брзине пребацивања ЛЕД диода. Затим, просечна тренутна укљученост ЛЕД струје одлучује сразмерну осветљеност ЛЕД диоде. Такође се назива и радни циклус (однос ширине импулса у импулсном интервалу ПВМ). Кроз ПВМ, већи радни циклус резултира већом просечном струјом кроз ЛЕД што доводи до веће осветљености и обрнуто.

Због чињенице да сте у стању да фино прилагодите радни циклус на различите опсеге осветљења, ПВМ затамњење помаже да се постигне много шири однос затамњења у поређењу са аналогним затамњењем.

Иако ПВМ гарантује побољшани излаз за контролу осветљености, потребна је већа анализа дизајна. Фреквенција ПВМ-а мора бити много већа од оне коју наша визија може да опази, у супротном би се ЛЕД-ови могли на крају појавити као да трепере. Даље, ПВМ димер кола су озлоглашена по стварању електромагнетних сметњи (ЕМИ).

Сметње од ЛЕД драјвера

Кола за аутомобилски ЛЕД возач изграђена са неадекватном ЕМИ контролом могу негативно утицати на друге суседне електронске софтвере, као што је стварање зујања у радију или слична осетљива аудио опрема.

ИЦ управљачке лампице са ЛЕД-ом могу вам сигурно пружити и аналогне и ПВМ функције затамњења, као и додатне функције за борбу против ЕМИ, као што је програмибилна брзина пораста или фазни помак излазног канала или групно кашњење.

ЛЕД дијагностика и извештавање о грешкама

ЛЕД дијагностика која укључује прегревање, кратки спој или отворени круг су популарни предуслов за дизајн, посебно када апликација захтева вишеструки ЛЕД рад. Умањујући ризик од квара ЛЕД-а, ЛЕД погонски уређаји имају регулисану излазну струју са већом прецизношћу од дискретних драјвера заснованих на транзисторима.

Уз ово, ИЦ управљачки програми додатно укључују заштиту од превисоке температуре како би се осигурао дужи радни век ЛЕД-а и самог управљачког круга.

ЛЕД управљачки програми дизајнирани за аутомобиле морају бити опремљени за откривање грешака, на пример ЛЕД отворен или кратак спој. Неколико апликација такође може захтевати додатне мере за сузбијање откривене грешке.

Као пример, модул задњег светла у аутомобилу садржи бројне низове ЛЕД-а за осветљавање задњих светла и кочионих светала. У случају да се у једној од жица ЛЕД-а открије сав грешка ЛЕД-а, тада коло мора бити у стању да искључи читав низ ЛЕД-а, како би се избегло даље оштећење преосталих ЛЕД-а.

Акција би такође упозорила корисника у вези са нестандардним деградираним ЛЕД модулом који треба деинсталирати и послати на одржавање произвођачу.

Модули за контролу тела (БЦМ)

Да бисте могли да пружите дијагностичко упозорење кориснику аутомобила, интелигентни прекидач са горње стране у модул за управљање телом (БЦМ) региструје квар кроз елемент задњег светла као што је приказано на горњој слици 12.

Након тога, идентификација ЛЕД квара кроз БЦМ може бити компликована. Повремено можете користити исти дизајн плоче БЦМ за откривање стандардних кола заснованих на сијалицама са жарном нити или система заснованих на ЛЕД-у, јер ЛЕД струја има тенденцију да буде знатно мања за разлику од потрошње сијалица са жарном нити, разликујући логичко ЛЕД оптерећење.

Закључак

Отворено или одвојено оптерећење може бити тешко идентификовати ако дијагностика тренутног осећаја није дизајнирана тачно. Уместо да имате појединачни отворени ЛЕД низ, ИСКЉУЧИВАЊЕ целог низа ЛЕД низова постаје лакше уочљиво за БЦМ за извештавање о ситуацији отвореног оптерећења. Услов који осигурава да се у случају неуспеха Оне-ЛЕД онда може извршити критеријум Алл-ЛЕД-фаил да би се искључиле све ЛЕД диоде приликом откривања једне ЛЕД сметње. Аутомобилски линеарни ЛЕД управљачки програми укључују функцију која омогућава реакцију један-све-сваки-неуспех и могу да идентификују уобичајену магистралу грешака у више конфигурација ИЦ-а.