Automotive LED Driver Circuits - Design Analysis

I biler eller biler har lysdioder vokst til å være det foretrukne valg av belysning. Enten det er baklyktene bak eller kontrollampeindikatorene i klyngen som vist i figur 1 nedenfor, har alle LED-lys i dag. De kompakte dimensjonene hjelper allsidigheten i design og gir potensielle kunder en like holdbar levetid som kjøretøyets levetid.

Figur 1

På den annen side, selv om lysdioder er svært effektive enheter, er de sårbare for forverring fra uregulerte spennings-, strøm- og temperaturparametere, spesielt i det tøffe biløkosystemet.

For å kunne forbedre LED-lyseffektivitet og varighet, LED driverkretsdesign krever forsiktig analyse.

Elektroniske kretser som brukes som LED-drivere, bruker i utgangspunktet transistorer. En standard kretstopologi som ofte brukes i LED-drivere, er tilfeldigvis den lineære topologien, der transistoren er designet for å fungere innenfor det lineære området.

Denne topologien gir oss muligheten til å lage driverkretser bare gjennom transistorer eller ved hjelp av spesialiserte IC-er med innebygde transistorer og ekstra LED-forbedringsfunksjoner.

I diskrete applikasjoner har bipolare junction transistors (BJTs), som er svært tilgjengelige råvareprodukter, en tendens til å være favoritten.

Til tross for at BJT er enkle å konfigurere fra et kretsperspektiv, kan det oppdages store komplikasjoner mens man lager en total LED-driverløsning som oppfyller nåværende kontrollnøyaktighet, PCB-dimensjon, varmestyring og feildiagnose, som er noen få viktige forutsetninger gjennom hele arbeidsforsyningsspenningen og temperaturområdet.

Videre, som antall lysdioder øker , kretsdesign ved bruk av diskrete BJT-trinn blir enda mer sofistikert.

Sammenlignet med diskrete deler, påføring IC-baserte alternativer synes å være mer praktisk med hensyn til kretsoppsettet, men i tillegg design- og evalueringsprosedyrene.

I tillegg til det, kan det generelle middelet kanskje være enda rimeligere.

Parametere for utforming av LED-drivere for biler

Derfor, når du designer LED-driverkretser for en bilbelysning applikasjon, er det viktig å tenke på LED-fokuspunkter, evaluere kretsdesignalternativer og faktorer i systemkrav.

En LED er faktisk en P-type N-type (PN) kryssdiode som lar strømmen bare bevege seg gjennom den i en enkelt retning. Strømmen begynner å strømme så snart spenningen over LED når minimum fremover spenning (VF).

Lysnivået eller lysstyrken til en LED bestemmes av fremoverstrømmen (IF), mens hvor mye strøm en LED bruker, avhenger av spenningen som påføres over LED-en.

Selv om LED-lysstyrken og fremoverstrømmen IF er lineært relatert, kan til og med en liten økning i fremoverspenningen VF over LED-en utløse en rask eskalering i strøminntaket til LED-en.

Lysdioder med forskjellige fargespesifikasjoner har forskjellige VF- og IF-spesifikasjoner på grunn av deres spesifikke halvlederingredienser (figur 2). Det er nødvendig å ta hensyn til hver LEDs databladspesifikasjoner, spesielt mens du bruker forskjellige fargelys i en krets.

Figur # 2

For eksempel når du utvikler med rød-grønn-blå (RGB) belysning , kan en rød LED ha en fremover spenning på rundt 2 V, mens den samme for en blå og grønn LED kan være rundt 3 til 4 V.

Med tanke på at du bruker disse lysdiodene fra en felles strømforsyning, trenger du kanskje en godt beregnet strømbegrensende motstand for hver av de fargede lysdiodene, for å unngå LED-forringelse.

Termisk og energieffektivitet

Bortsett fra forsyningsspenning og strømparametere, krever temperatur og energieffektivitet også nøye analyser. Selv om det meste av strømmen som brukes over en LED blir konvertert til LED-lys, blir en liten mengde strøm omgjort til varme i PN-krysset til enheten.

Temperaturen som genereres over et LED-kryss kan påvirkes alvorlig av noen få eksterne parametere som:

• ved atmosfærisk temperatur (TA),
• ved termisk motstand mellom LED-krysset og omgivende luft (RθJA),
• og ved kraftavledningen (PD).

Følgende ligning 1 avslører spenningsspesifikasjonen PD for en LED:

PD = VF × IF ------------ Lign # 1

Ved hjelp av ovennevnte kan vi videre utlede følgende ligning som beregner kryssetemperaturen (TJ) til en LED:

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

Det er viktig å bestemme TJ ikke bare under normale arbeidsforhold, men også under en absolutt maksimal omgivelsestemperatur TA for designet, med hensyn til bekymringer i verste fall.

Når LED-kryssetemperaturen TJ øker, forverres arbeidseffektiviteten. En LEDs fremadstrøms IF og krysningstemperatur TJ må holde seg under deres absolutte maksimale rangeringer, som klassifisert av databladene, for å beskytte mot ødeleggelse (figur 3).

Figur # 3

I tillegg til lysdiodene, bør du også ta hensyn til effektiviteten til motstander og drivelementene som BJT og driftsforsterkere (op ampere), spesielt når mengden av diskrete komponenter øker.

Utilstrekkelig energieffektivitet i førertrinnene, LED-tidsperioden og / eller omgivelsestemperaturen, alle disse faktorene kan føre til en økning i temperaturen på enheten, noe som påvirker BJT-driverens nåværende utgang, og reduserer VF-fallet på LED-lampene .

Når temperaturstigningen reduserer LEDs fremover spenningsfall, øker LEDs strømforbruk, noe som fører til en proporsjonalt økt kraftavledning PD og temperatur, og dette fører til ytterligere reduksjon i LEDs fremover spenningsfall VF.

Denne syklusen med kontinuerlig temperaturøkning, også referert til som 'termisk løpsk', tvinger lysdiodene til å fungere over den optimale driftstemperaturen, forårsaker rask nedbrytning og på et tidspunkt svikt i enheten på grunn av et økt nivå av IF-forbruk .

Lineære LED-drivere

Å bruke lysdioder lineært gjennom enten transistorer eller IC-er er faktisk ganske praktisk. Av alle muligheter er den mest enkle tilnærmingen til å kontrollere en LED vanligvis å koble den rett over forsyningsspenningskilden (VS).

Å ha riktig strømbegrensende motstand begrenser enhetens strømforbruk og fikser et nøyaktig spenningsfall for lysdioden. Følgende ligning 3 kan brukes til å beregne seriemotstandsverdien (RS):

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

Med henvisning til figur # 4 ser vi at 3 lysdioder brukes i serie, hele spenningsfallet VF over de tre lysdiodene bør tas i betraktning ved VF-beregningen (lysdioden fremoverstrøm IF forblir konstant.)

Figur # 4

Selv om dette kan være den enkleste LED-driverkonfigurasjonen, kan det være ganske upraktisk i en realistisk implementering.

Strømforsyninger, spesielt bilbatterier, er utsatt for spenningssvingninger.

En mindre økning i tilførselsinngangen utløser LED-lampen for å trekke større mengder strøm og følgelig bli ødelagt.

Videre øker overdreven kraftavledning PD i motstanden enhetstemperaturen, noe som kan gi opphav til termisk rømning.

Diskrete konstantstrøm LED-drivere for bilindustri

Når en konstant strømfunksjon brukes, sikrer den en forbedret strømeffektiv og pålitelig layout. Siden den mest vanlige teknikken for å betjene en LED er gjennom en på- og av-bryter, muliggjør en transistor en godt regulert strømforsyning.

Figur # 5

Med henvisning til figur 5 ovenfor kan det være mulig å gå for enten en BJT eller en MOSFET, basert på spennings- og strømspesifikasjonene til LED-konfigurasjonen. Transistorer takler lett større kraft sammenlignet med en motstand, men er likevel utsatt for spenning og nedgang og temperaturvariasjoner. For eksempel når spenningen rundt en BJT stiger, øker også strømmen proporsjonalt.

For å garantere ekstra stabilitet er det mulig å tilpasse disse BJT- eller MOSFET-kretsene for å levere konstant strøm til tross for ubalanser i forsyningsspenningen.

Designe LED-strømkilde

Figur 6 til 8 viser en håndfull strømkildekretsillustrasjoner.

I figur 6 genererer en Zener-diode en stabil utgangsspenning i transistorens bunn.

Strømbegrensende motstand RZ sørger for en kontrollert strøm slik at Zener-dioden kan fungere riktig.

Zener-diodeutgangen produserer en konstant spenning til tross for svingninger i forsyningsspenningen.

Spenningsfallet over emittermotstanden RE skal utfylle spenningsfallet til Zener-dioden, derfor justerer transistoren kollektorstrømmen som sørger for at strømmen gjennom lysdiodene alltid forblir konstant.

Bruke en tilbakemelding fra Op Amp

I figur 7 nedenfor vises en op-amp-krets med en tilbakemeldingssløyfe for å lage en ideell LED-krets for LED-kontroller. Tilbakemeldingsforbindelsen sørger for at utgangen blir automatisk justert slik at potensialet som utvikles ved sin negative inngang forblir lik den positive referanseinngangen.

En Zener-diode er fastspent for å generere en referansespenning ved den ikke-inverterende inngangen til op-forsterkeren. I tilfelle LED-strømmen overstiger en forhåndsbestemt verdi, utvikler den en proporsjonal mengde spenning over sensormotstanden RS, som prøver å overgå zener-referanseverdien.

Siden dette får spenningen ved den negative inverterende inngangen til op amperen til å overstige den positive referanse zener-verdien, tvinger op amp-utgangen til å slå seg AV, som igjen reduserer LED-strømmen og også spenningen over RS.

Denne situasjonen reverserer igjen op-amp-utgangen for å slå PÅ-tilstand og aktiverer LED-en, og denne selvjusterende handlingen til op-amp fortsetter uendelig og sørger for at LED-strømmen aldri overstiger det beregnede usikre nivået.

Figur 8 over illustrerer enda en tilbakemeldingsbasert design som ble utført ved hjelp av et par BJT-er. Her strømmer strømmen ved hjelp av R1 og slår PÅ transistoren Q1. Strømmen fortsetter å reise via R2, som fikser riktig mengde strøm gjennom lysdiodene.

Hvis denne LED-strømmen gjennom R2 prøver å overskride den forhåndsbestemte verdien, øker også spenningsfallet over R2 proporsjonalt. I det øyeblikket dette spenningsfallet stiger opp til base-til-emitter-spenningen (Vbe) til transistoren Q2, begynner Q2 å slå seg på.

Å være slått på Q2 begynner nå å trekke strøm gjennom R1, og tvinge Q1 til å begynne å slå seg av, og tilstanden fortsetter å justere strømmen selv gjennom LED-en slik at LED-strømmen aldri går utover det usikre nivået ..

Dette transistorisert strømbegrenser med tilbakemeldingssløyfe garanterer en konstant strømtilførsel til lysdiodene i henhold til den beregnede verdien på R2. I eksemplet ovenfor er BJT implementert, men det er likevel mulig å bruke MOSFET i denne kretsen for applikasjoner med høyere strøm.

Konstantstrøm LED-drivere som bruker integrerte kretser

Disse viktige transistorbaserte byggesteinene kan enkelt replikeres for å betjene flere LED-strenger, som vist i figur 9.

Kontrollerer en gruppe på LED-strenger fører raskt til at komponenttellingen øker, opptar større PCB-plass og bruker mer antall generelle inngangs- / utgangspinner (GPIO).

Videre er slike design i utgangspunktet uten hensyn til lysstyrkekontroll og feildiagnostikk, som er viktige behov for de fleste LED-applikasjoner.

For å inkludere spesifikasjonene, for eksempel lysstyrkekontroll og feildiagnostikk, kreves det ekstra antall diskrete komponenter og ekstra designanalyseprosedyrer.

LED-design som inkluderer høyere antall lysdioder , fører til at diskrete kretsutforminger inkluderer høyere antall deler, noe som øker kretsens kompleksitet.

For å effektivisere designprosessen anses det som mest effektivt å søke spesialiserte IC-er for å fungere som LED-drivere . Mange av diskrete komponenter som angitt i figur 9 kan gjøres enklere med en IC-basert LED-driver som avslørt i figur 10.

Figur # 10

LED-driver-IC-er er spesialdesignet for å takle kritiske spennings-, strøm- og temperaturspesifikasjoner for lysdioder, og også for å minimere deltall og dimensjoner.

Videre kan LED-driver-IC-er ha tilleggsfunksjoner for lysstyrkekontroll og diagnostikk, inkludert over temperaturbeskyttelse. Når det er sagt, kan det være mulig å oppnå de ovennevnte avanserte funksjonene ved å bruke diskrete BJT-baserte design også, men IC ser ut til å være et enklere alternativ, relativt.

Utfordringer i Automotive LED-applikasjoner

I mange bil-LED-implementeringer blir lysstyrkekontroll en viktig nødvendighet.

Siden justering av fremoverstrømmen IF gjennom LED-en justerer lysstyrkenivået proporsjonalt, kan analoge design brukes for å oppnå resultatene. En digital metode for LED-lysstyrkekontroll er gjennom PWM eller pulsbreddemodulering. Følgende detaljer analyserer de to konseptene og viser hvordan de kan brukes til bil-LED-applikasjoner

Forskjellen mellom analog og PWM LED lysstyrkekontroll

Figur 11 evaluerer hovedforskjellen mellom analoge og digitale metoder for å kontrollere LED-lysstyrken.

Figur # 11

Ved å bruke analog LED-lysstyrkekontroll, endres LED-belysningen gjennom størrelsen på den strømende strømmen, større strøm resulterer i økt lysstyrke og omvendt.

Men kvaliteten på analog dimming eller lysstyrkekontroll er ikke tilfredsstillende, spesielt ved lavere lysstyrkeområder. Analog dimming er vanligvis ikke hensiktsmessig for fargeravhengige LED-applikasjoner, som RGB-belysning eller statusindikatorer, siden varierende IF har en tendens til å påvirke fargen på LED-en, noe som forårsaker dårlig fargeoppløsning fra RGB-LEDene.

I motsetning, PWM-baserte LED-dimmere ikke varier lysdioden fremoverstrøm IF, snarere styrer intensiteten ved å variere PÅ / AV-bryterhastigheten lysdiodene. Deretter bestemmer den gjennomsnittlige PÅ-tiden LED-strøm den proporsjonale lysstyrken på LED-en. Det kalles også driftssyklus (forholdet mellom pulsbredde over PWMs pulsintervall). Gjennom PWM resulterer en høyere driftssyklus i en høyere gjennomsnittsstrøm gjennom LED-en, noe som gir høyere lysstyrke og omvendt.

På grunn av det faktum at du er i stand til å finjustere driftssyklusen til forskjellige belysningsområder, hjelper PWM-dimming med å oppnå et mye bredere dimmeforhold i forhold til analog dimming.

Selv om PWM garanterer en forbedret lysstyrkekontroll, krever det mer designanalyse. PWM-frekvensen må være mye høyere enn hva vår visjon kan oppfatte, ellers kan LED-ene ende opp som de flimrer. Videre er PWM-dimmerkretser beryktet for å generere elektromagnetisk forstyrrelse (EMI).

Forstyrrelser fra LED-drivere

En LED-driverkrets for biler bygget med utilstrekkelig EMI-kontroll kan påvirke andre elektroniske programvare i nærheten, for eksempel generering av summende støy i radio eller lignende følsomt lydutstyr.

LED-driver-IC-er kan absolutt gi deg både analoge og PWM-dimmefunksjoner sammen med tilleggsfunksjoner for å takle EMI, for eksempel programmerbar svinghastighet, eller utgangskanal faseforskyvning eller gruppeforsinkelse.

LED-diagnostikk og feilrapportering

LED-diagnostikk som inkluderer overoppheting, kortslutning eller åpen krets er en populær forutsetning for design, spesielt når applikasjonen krever flere LED-operasjoner. LED-drivere minimerer risikoen for LED-funksjonsfeil, og har regulert utgangsstrøm med større presisjon enn transistorbaserte diskrete drivere.

Sammen med dette inkluderer IC-drivere i tillegg beskyttelse mot temperatur for å sikre høyere levetid for lysdiodene og selve førerkretsen.

LED-drivere designet for biler må være utstyrt for å oppdage feil, for eksempel en LED åpen eller kortslutning. Noen få applikasjoner kan også kreve oppfølgingstiltak for å motvirke en oppdaget feil.

Som et eksempel inkluderer en billysmodul en rekke LED-lysstrenger for å belyse baklys og bremselys. I tilfelle det blir oppdaget en ødelagt LED-feil i en av LED-strengene, må kretsen kunne slå av hele lysdioden, for å sikre at ytterligere skade på de gjenværende LEDene kan unngås.

Handlingen vil også advare brukeren om ikke-standard degradert LED-modul som må avinstalleres og sendes for vedlikehold til produsenten.

Kroppskontrollmoduler (BCM)

For å kunne gi et diagnostisk varsel til bilbrukeren, en intelligent bryter på høysiden i kroppskontrollmodul (BCM) registrerer en feil gjennom baklyselementet som illustrert i figur 12 ovenfor.

Når det er sagt, kan identifisering av en LED-feil gjennom BCM være komplisert. Noen ganger kan du bruke samme BCM-kortdesign for å oppdage en standard glødelampebasert krets eller et LED-basert system fordi LED-strøm har en tendens til å være vesentlig mindre i motsetning til glødelampeforbruk, og skiller mellom en logisk LED-belastning.

Konklusjon

En åpen eller frakoblet belastning kan være vanskelig å identifisere hvis strømforståelsesdiagnostikken ikke er designet nøyaktig. I stedet for å ha en individuell åpen LED-streng blir det lettere å oppdage hele strengen med LED-strenger for BCM for rapportering av en åpen belastningssituasjon. En tilstand som sikrer at hvis One-LED-fail så All-LED-fail-kriteriet kan utføres for å slå av alle LEDene når det oppdages en enkelt LED-feil. Linjære LED-drivere for biler inkluderer funksjonen som tillater en one-fail-all-fail-reaksjon og kan identifisere en vanlig feilbuss gjennom flere IC-konfigurasjoner.