Autoteollisuuden LED-ohjainpiirit - suunnitteluanalyysi

Autoissa tai autoissa ledit ovat kasvaneet suosituksi valaistuksen valinnaksi. Olipa kyse takaseinän takavaloista tai klusterin ilmaisimista, kuten alla olevassa kuvassa 1 on esitetty, kaikki sisältävät nykyään LED-valoja. Niiden kompaktit mitat auttavat suunnittelun monipuolisuudessa ja tarjoavat mahdollisuuden olla yhtä kestäviä kuin itse ajoneuvon elinajanodote.

Kuvio 1

Toisaalta, vaikka ledit ovat erittäin tehokkaita laitteita, ne ovat alttiita sääntelemättömien jännite-, virta- ja lämpötilaparametrien heikkenemiselle, erityisesti kovassa autoteollisuuden ekosysteemissä.

LED-valon tehokkuuden ja pysyvyyden parantamiseksi LED-ohjainpiirin suunnittelu vaatii varovaisia ​​analyyseja.

LED-ohjaimina käytettävät elektroniset piirit käyttävät periaatteessa transistoreita. Yksi LED-ohjaimissa usein käytetty virtapiiritopologia sattuu olemaan lineaarinen topologia, jossa transistori on suunniteltu toimimaan lineaarisen alueen sisällä.

Tämä topologia antaa meille mahdollisuuden tehdä ohjainpiirit vain transistoreiden kautta tai käyttämällä erikoistuneita mikropiirejä, joissa on sisäänrakennetut transistorit ja LED-lisäominaisuudet.

Erillisissä sovelluksissa kaksisuuntaiset liitostransistorit (BJT), jotka ovat helposti saatavilla olevia hyödyketuotteita, ovat yleensä suosikkeja.

Huolimatta siitä, että BJT: t on helppo konfiguroida piirin näkökulmasta, voidaan löytää suuria komplikaatioita luomalla kokonais-LED-ohjainratkaisu, joka täyttää nykyisen ohjaustarkkuuden, piirilevymitat, lämmönhallinnan ja vianmäärityksen, jotka ovat muutamia tärkeitä edellytyksiä kaikkialla koko käyttöjännite ja lämpötila-alue.

Lisäksi, koska LEDien määrä kasvaa , piirien suunnittelu käyttäen erillisiä BJT-vaiheita, tulee entistä kehittyneemmäksi.

Verrattuna erillisiin osiin, soveltaminen IC-pohjaiset vaihtoehdot näyttävät olevan helpompaa piirin ulkoasun suhteen, mutta lisäksi suunnittelu- ja arviointimenettelyt.

Sen lisäksi yleinen lääke voi olla jopa edullisempi.

Parametrit autojen LED-ohjaimien suunnittelulle

Siksi suunniteltaessa LED-ohjainpiirejä autojen valaistus sovelluksessa on välttämätöntä harkita LED-polttopisteitä, arvioida piirisuunnitteluvaihtoehtoja ja tekijöitä järjestelmän vaatimuksissa.

LED on itse asiassa P-tyypin N-tyypin (PN) liitosdiodi, joka sallii virran liikkua sen läpi vain yhteen suuntaan. Virta alkaa virrata heti kun jännite LEDin yli saavuttaa pienimmän eteenpäin tulevan jännitteen (VF).

LED-valaistuksen taso tai kirkkaus määräytyy eteenpäin suuntautuvan virran (IF) mukaan, kun taas kuinka paljon virtaa LED kuluttaa, riippuu LEDin yli kohdistetusta jännitteestä.

Vaikka LED-valon kirkkaus ja myötävirta IF ovat lineaarisesti yhteydessä toisiinsa, jopa pieni eteenpäin suuntautuvan jännitteen VF kasvu LED: n yli voi laukaista LEDin virranoton nopean kasvun.

Eri värimäärityksillä varustetuilla LEDeillä on erilaiset VF- ja IF-spesifikaatiot johtuen erityisistä puolijohdekomponenteista (kuva 2). On tarpeen ottaa huomioon kunkin LEDin tekniset tiedot, erityisesti samalla, kun eri piirin LED-valoja käytetään yhdessä piirissä.

Kuva # 2

Esimerkiksi kehittäessäsi punainen-vihreä-sininen (RGB) valaistus , punaisella LEDillä voi olla eteenpäin suuntautuva jännitearvo noin 2 V, kun taas sama sinisen ja vihreän LEDin kohdalla voi olla noin 3 - 4 V.

Ottaen huomioon, että käytät näitä LEDejä yhdestä yhteisestä jännitesyötöstä, saatat tarvita hyvin lasketun virtaa rajoittava vastus jokaiselle värilliselle LEDille, jotta vältetään LEDien pilaantuminen.

Lämpö- ja energiatehokkuus

Syöttöjännitteen ja virtaparametrien lisäksi lämpötila ja virrankulutus vaativat myös huolellista analyysia. Vaikka suurin osa LED: n kautta käytetystä virrasta muuttuu LED-valoksi, pieni määrä tehoa muuttuu lämmöksi laitteen PN-liitännässä.

Muutama ulkoinen parametri, kuten:

• ilmakehän lämpötilan (TA) mukaan,
• LED-liitoksen ja ympäröivän ilman (RθJA) välinen lämpövastus,
• ja tehohäviöllä (PD).

Seuraava yhtälö 1 paljastaa LEDin tehohäviön tekniset tiedot PD:

PD = VF × IF ------------ Eq # 1

Edellä esitetyn avulla voimme edelleen johtaa seuraavan yhtälön, joka laskee LEDin liitoslämpötilan (TJ):

TJ = TA + RθJA × PD ---------- Eq # 2

On välttämätöntä määrittää TJ paitsi normaaleissa työolosuhteissa myös suunnitellun absoluuttisen korkeimman ympäristön lämpötilan TA: ssa, pahimpien mahdollisten tilanteiden kannalta.

LED-liitoslämpötilan noustessa sen työteho heikkenee. LED: n eteenpäin suuntautuvan IF: n ja liitoslämpötilan TJ on pysyttävä alle niiden absoluuttisten maksimiarvojen, jotka on luokiteltu tietolomakkeissa, suojellakseen tuhoja (kuva 3).

Kuva # 3

LED-valojen lisäksi sinun on otettava huomioon myös vastusten ja käyttöelementtien, kuten BJT: n ja operatiivisten vahvistimien (op-vahvistimet) tehokkuus, erityisesti erillisten komponenttien määrän kasvaessa.

Kuljettajan vaiheiden riittämätön energiatehokkuus, LEDien päälläoloaika ja / tai ympäristön lämpötila voivat kaikki nämä tekijät johtaa laitteen lämpötilan nousuun, mikä vaikuttaa BJT-kuljettajan virtalähtöön ja vähentää LEDien VF-pudotusta .

Kun lämpötilan nousu vähentää LEDien eteenpäin suuntautuvaa jännitehäviötä, LEDin virrankulutusnopeus nousee johtaen suhteellisesti lisääntyneeseen tehohäviöön PD ja lämpötilaan, mikä vähentää LEDien eteenpäin suuntautuvan jännitteen pudotusta VF edelleen.

Tämä jatkuvan lämpötilan nousun sykli, jota kutsutaan myös nimellä 'terminen runaway', pakottaa LEDit toimimaan optimaalisen käyttölämpötilansa yläpuolelle aiheuttaen laitteen nopean hajoamisen ja jossain vaiheessa laitteen vikaantumisen lisääntyneen IF-kulutuksen vuoksi. .

Lineaariset LED-ohjaimet

LEDien käyttö lineaarisesti joko transistoreiden tai piirien kautta on itse asiassa varsin kätevää. Kaikista vaihtoehdoista yksinkertaisin tapa ohjata LEDiä on yleensä kytkeä se suoraan syöttöjännitelähteen (VS) yli.

Oikean virranrajoitusvastuksen käyttö rajoittaa laitteen virranottoa ja vahvistaa tarkan jännitehäviön LEDille. Seuraavaa yhtälöä 3 voidaan käyttää sarjavastuksen (RS) arvon määrittämiseen:

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

Viitaten kuvaan 4 näemme, että 3 LEDiä käytetään sarjaan, koko jännitteen pudotus VF kolmen LEDin yli tulisi ottaa huomioon VF-laskennassa (LEDin eteenpäin suuntautuva virta IF pysyy vakiona.)

Kuva # 4

Vaikka tämä voi olla yksinkertaisin LED-ohjainkokoonpano, se voi olla melko epäkäytännöllinen tosielämän toteutuksessa.

Virtalähteet, erityisesti autojen akut, ovat alttiita jännitteen vaihteluille.

Syöttötulon vähäinen lisäys saa LED: n vetämään suurempia virtamääriä ja siten tuhoutumaan.

Lisäksi liiallinen tehohäviö PD vastuksessa nostaa laitteen lämpötilaa, mikä voi aiheuttaa lämpöjuoksun.

Erilliset vakiovirtalähde-ohjaimet autosovelluksiin

Kun käytetään vakiovirtaominaisuutta, se varmistaa paremman virrankulutuksen ja luotettavuuden. Koska yleisimpiä tekniikoita LED: n käyttämiseksi tapahtuu päälle ja pois -kytkennän kautta, transistori mahdollistaa hyvin säännellyn virransyötön.

Kuva # 5

Viitaten yllä olevaan kuvioon 5, voi olla mahdollista valita joko BJT tai MOSFET, perustuen LED-kokoonpanon jännite- ja virtamäärityksiin. Transistorit käsittelevät helposti suurempaa tehoa kuin vastus, mutta ovat kuitenkin alttiita jännitteen nousulle ja laskulle sekä lämpötilan vaihteluille. Esimerkiksi kun jännite BJT: n ympärillä nousee, myös sen virta kasvaa suhteellisesti.

Lisävakauden takaamiseksi on mahdollista mukauttaa nämä BJT- tai MOSFET-piirit tuottamaan vakiovirtaa huolimatta siitä, että syöttöjännitteessä on epätasapainoa.

LED-virtalähteen suunnittelu

Kuvissa 6-8 on esitetty kourallinen virtalähdepiirikuvia.

Kuvassa 6 Zener-diodi tuottaa vakaan lähtöjännitteen transistorin pohjaan.

Virtaa rajoittava vastus RZ varmistaa hallitun virran, jotta Zener-diodi voi toimia oikein.

Zener-diodilähtö tuottaa tasaisen jännitteen huolimatta syöttöjännitteen vaihteluista.

Emitterivastuksen RE jännitepudotuksen tulisi täydentää Zener-diodin jännitehäviötä, joten transistori säätää kollektorivirtaa, mikä varmistaa, että LEDien läpi kulkeva virta pysyy aina vakiona.

Op Amp -palaute

Alla olevassa kuvassa 7 on esitetty op-vahvistinpiiri, jossa on takaisinkytkentäsilmukka ihanteellisen autoteollisuuden LED-ohjainpiirin tekemiseksi. Takaisinkytkentä varmistaa, että lähtö säädetään automaattisesti siten, että negatiivisella tulollaan kehitetty potentiaali pysyy yhtä suurena kuin positiivisen referenssitulonsa.

Zener-diodi kiinnitetään referenssijännitteen muodostamiseksi op-vahvistimen ei-invertoivaan tuloon. Jos LEDien virta ylittää ennalta määrätyn arvon, se kehittää suhteellisen määrän jännitettä sensorivastuksen RS yli, mikä yrittää ylittää zenerin vertailuarvon.

Koska tämä aiheuttaa sen, että op-vahvistimen negatiivisen käänteisen tulon jännite ylittää positiivisen zener-arvon, pakotetaan op-amp-ulostulo kytkeytymään pois päältä, mikä puolestaan ​​vähentää LED-virtaa ja myös jännitettä RS: n yli.

Tämä tilanne palauttaa op-vahvistimen lähdön jälleen kytkemään ON-tilan ja aktivoi LEDin, ja tämä op-vahvistimen itsesäätyvä toiminta varmistaa loputtomasti, että LED-virta ei koskaan ylitä laskettua vaarallista tasoa.

Kuva 8 yllä havainnollistaa vielä yhtä palautteeseen perustuvaa suunnittelua, joka on toteutettu parilla BJT: llä. Tässä virta kulkee R1: n avulla kytkemällä päälle transistori Q1. Virta kulkee edelleen R2: n kautta, mikä korjaa oikean virran määrän LEDien kautta.

Jos tämä R2: n kautta kulkeva LED-virta yrittää ylittää ennalta määrätyn arvon, myös jännitteen pudotus R2: n yli kasvaa suhteellisesti. Heti kun tämä jännitehäviö nousee transistorin Q2, Q2 emäksestä emitteriin jännitteeseen (Vbe), Q2 alkaa kytkeytyä päälle.

Kun virta kytketään päälle, Q2 alkaa nyt vetää virtaa R1: n kautta pakottaen Q1: n sammumaan ja tila pitää itse säätämään virtaa LEDin kautta varmistaen, että LED-virta ei koskaan ylitä vaarallista tasoa.

Tämä transistorisoitu virranrajoitin takaisinkytkentäsilmukalla takaa jatkuvan virransyötön ledeille R2: n lasketun arvon mukaisesti. Yllä olevassa esimerkissä BJT: t toteutetaan, mutta silti on myös mahdollista käyttää MOSFET: itä tässä piirissä suuremmille virtasovelluksille.

Integroituja piirejä käyttävät tasavirta-LED-ohjaimet

Nämä välttämättömät transistoripohjaiset rakennuspalikat voidaan helposti kopioida toimimaan useiden LED-merkkijonojen kanssa, kuten kuvassa 9 on esitetty.

Ryhmän hallinta LED-kielet nopeasti aiheuttaa komponenttien määrän nousun, viemällä suuremman piirilevytilan ja kuluttamalla enemmän yleiskäyttöisiä tulo- / lähtöliittimiä (GPIO).

Lisäksi tällaiset mallit ovat pohjimmiltaan ilman kirkkauden säätöä ja vianmääritysnäkökohtia, jotka ovat välttämättömiä tarpeita useimmille teho-LED-sovelluksille.

Spesifikaatioiden, kuten kirkkauden säätö ja vianmääritys, sisällyttäminen vaatii lisämäärän erillisiä komponentteja ja lisättyjä suunnitteluanalyysimenettelyjä.

LED-mallit, jotka sisältävät suurempi määrä LEDejä , aiheuttaa erillisten piirisuunnitelmien sisältävän suuremman määrän osia, mikä lisää piirin monimutkaisuutta.

Suunnitteluprosessin virtaviivaistamiseksi sitä pidetään tehokkaimpana soveltaa erikoistuneet IC: t toimimaan LED-ohjaimina . Monet kuvassa 9 esitetyistä erillisistä komponenteista voidaan tehdä helpommiksi IC-pohjaisella LED-ohjaimella, kuten kuvassa 10 on esitetty.

Kuva # 10

LED-ohjainpiirit on suunniteltu erityisesti LEDien kriittisten jännite-, virta- ja lämpötilamääritysten käsittelemiseksi sekä myös osien määrän ja levyn mittojen minimoimiseksi.

Lisäksi LED-ohjainpiireillä voi olla lisäominaisuuksia kirkkauden säätöön ja diagnostiikkaan, mukaan lukien ylilämpötilasuojaus. Siitä huolimatta voi olla mahdollista saavuttaa yllä olevat lisäominaisuudet käyttämällä myös erillisiä BJT-pohjaisia ​​malleja, mutta IC: t näyttävät olevan helpompi vaihtoehto, verrattain.

Autoteollisuuden LED-sovellusten haasteet

Monissa autojen LED-sovelluksissa kirkkauden säätöstä tulee välttämätön välttämättömyys.

Koska eteenpäin suuntautuvan IF: n säätäminen LED-valolla säätää kirkkaustasoa suhteellisesti, tulosten saavuttamiseksi voidaan käyttää analogisia malleja. Digitaalinen LED-kirkkauden säätötapa on PWM tai pulssinleveyden modulointi. Seuraavissa yksityiskohdissa analysoidaan kahta käsitettä ja näytetään, kuinka niitä voidaan soveltaa autojen LED-sovelluksiin

Ero analogisen ja PWM-LED-kirkkauden hallinnan välillä

Kuvassa 11 arvioidaan tärkein ero analogisten ja digitaalisten menetelmien välillä LED-kirkkauden säätämisessä.

Kuva # 11

Käyttämällä analogista LED-kirkkauden säätöä LED-valaistusta muutetaan virtaavan virran voimakkuuden kautta. Suurempi virta lisää kirkkautta ja päinvastoin.

Mutta analogisen himmennyksen tai kirkkauden hallinnan laatu ei ole tyydyttävä, erityisesti pienemmillä kirkkausalueilla. Analoginen himmennys ei yleensä sovi väristä riippuvaisille LED-sovelluksille, kuten RGB-valaistukselle tai tilan ilmaisimille, koska vaihteleva IF-suuntaus vaikuttaa yleensä LED: n värilähtöön aiheuttaen huonoa RGB-LEDien väritarkkuutta.

Verrattuna, PWM-pohjaiset LED-himmentimet älä muuta LED-eteenpäinvirtaa IF, vaan säätää voimakkuutta muuttamalla LEDien ON / OFF-kytkentänopeutta. Sitten keskimääräinen ON-ajan LED-virta päättää ledin suhteellisen kirkkauden. Sitä kutsutaan myös käyttöjaksoksi (pulssin leveyden suhde PWM: n pulssiintervalliin). PWM: n kautta korkeampi käyttöjakso johtaa suurempaan keskimääräiseen virtaan LED: n kautta, mikä lisää kirkkautta ja päinvastoin.

Koska voit säätää käyttöjaksoa hienosti eri valaistusalueille, PWM-himmennys auttaa saavuttamaan paljon suuremman himmennyssuhteen verrattuna analogiseen himmennykseen.

Vaikka PWM takaa parannetun kirkkauden säätötuloksen, se vaatii enemmän suunnitteluanalyysiä. PWM-taajuuden on oltava paljon korkeampi kuin näkemämme voi havaita, muuten LEDit saattavat päätyä näyttämään kuin he välkkyvät. Lisäksi PWM-himmenninpiirit ovat tunnettuja sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) tuottamisesta.

LED-ohjaimien aiheuttama häiriö

Puutteellisella EMI-ohjauksella rakennettu autoteollisuuden LED-ohjainpiiri saattaa vaikuttaa haitallisesti muihin naapurimaiden elektronisiin ohjelmistoihin, kuten surisevan melun syntymiseen radiossa tai vastaavissa herkissä audiolaitteissa.

LED-ohjainpiirit voivat varmasti tarjota sinulle sekä analogisia että PWM-himmennysominaisuuksia sekä lisätoimintoja EMI: n torjumiseksi, kuten ohjelmoitava kääntönopeus tai lähtökanavan vaihesiirto tai ryhmäviive.

LED-diagnostiikka ja vikailmoitus

LED-diagnostiikka, joka sisältää ylikuumenemisen, oikosulun tai avoimen piirin, on suosittu suunnitteluvaatimus, varsinkin kun sovellus vaatii useita LED-toimintoja. LED-vikojen riskin minimoimiseksi LED-ohjaimissa on säädelty lähtövirta tarkemmin kuin transistoripohjaiset erilliset ohjainlaitteet.

Tämän lisäksi IC-ohjaimet sisältävät lisäksi ylikuumenemissuojauksen varmistaakseen LEDien ja itse ohjainpiirin korkeamman käyttöiän.

Autoille suunnitellut LED-ohjaimet on varustettava havaitsemaan virheet, esimerkiksi LED-aukko tai oikosulku. Muutamat sovellukset saattavat myös edellyttää seurantatoimia havaitun vian torjumiseksi.

Esimerkiksi auton takavalomoduuli sisältää useita merkkijonoja takavalojen ja jarruvalojen valaisemiseksi. Siinä tapauksessa, että jostakin LED-merkkijonosta havaitaan rikkoutunut LED-vika, piirin on kyettävä sammuttamaan koko LED-ryhmä, jotta voidaan välttää, että jäljellä oleville LEDeille aiheutuu lisävahinkoja.

Toiminto varoittaa käyttäjää myös epätyypillisistä huonontuneista LED-moduuleista, jotka on poistettava ja lähetettävä huoltoon valmistajalle.

Korin ohjausmoduulit (BCM)

Älykäs yläpuolinen kytkin autossa voi antaa diagnostiikkavaroituksen auton käyttäjälle rungon ohjausmoduuli (BCM) rekisteröi vian takavaloelementin kautta, kuten yllä olevassa kuvassa 12 on esitetty.

Tästä huolimatta LED-vian tunnistaminen BCM: n kautta voi olla monimutkaista. Joskus voit käyttää samaa BCM-piirilevymallia tavallisen hehkulamppupohjaisen piirin tai LED-pohjaisen järjestelmän havaitsemiseksi, koska LED-virta on yleensä huomattavasti pienempi kuin hehkulamppujen kulutus, erottaen loogisen LED-kuormituksen.

Johtopäätös

Avointa tai irrotettua kuormaa voi olla vaikea tunnistaa, ellei nykyisen mielen diagnostiikkaa ole suunniteltu tarkasti. Yksittäisen avoimen LED-merkkijonon sijaan koko LED-merkkijonojen kytkeminen pois päältä on helpommin havaittavissa BCM: lle avoimen kuormitustilanteen ilmoittamiseksi. Edellytys, joka varmistaa, että jos yksi LED-virhe epäonnistuu, kaikki LED-virheet -peruste voidaan suorittaa sulkemaan kaikki LED-valot havaitessaan yhden LED-vian. Autoteollisuuden lineaariset LED-ohjaimet sisältävät ominaisuuden, joka sallii yhden vika-kaikki-vika-reaktion ja voi tunnistaa yhteisen virtaväylän kaikissa IC-kokoonpanoissa.