Litar Pemacu LED Automotif - Analisis Reka Bentuk

Di dalam kereta atau kereta, LED telah menjadi pilihan pencahayaan pilihan. Sama ada lampu belakang belakang atau indikator kisah dalam kluster seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1 di bawah, semuanya menggabungkan LED pada masa kini. Dimensi padatnya membantu fleksibiliti dalam reka bentuk dan menawarkan prospek untuk tahan lama seperti jangka hayat kenderaan itu sendiri.

Rajah 1

Sebaliknya, walaupun LED adalah peranti yang sangat efisien, mereka rentan terhadap kemerosotan dari parameter voltan, arus dan suhu yang tidak terkawal, terutama dalam ekosistem automotif yang keras.

Untuk dapat meningkatkan kecekapan dan kekekalan cahaya LED, Reka bentuk litar pemacu LED menuntut analisis yang berhati-hati.

Litar elektronik yang digunakan sebagai pemacu LED pada asasnya menggunakan transistor. Satu topologi litar standard yang sering digunakan dalam pemacu LED adalah topologi linier, di mana transistor dirancang untuk berfungsi di dalam kawasan linier.

Topologi ini memberi kita pilihan untuk membuat litar pemandu melalui transistor sahaja atau menggunakan IC khusus dengan transistor terbina dalam dan ciri tambahan LED tambahan.

Dalam aplikasi diskrit, transistor persimpangan bipolar (BJT), yang merupakan produk komoditi yang sangat mudah diakses, cenderung menjadi kegemaran.

Walaupun fakta bahawa BJT mudah dikonfigurasi dari sudut pandang litar, komplikasi utama dapat dijumpai semasa membuat penyelesaian pemacu LED total yang memenuhi ketepatan kawalan semasa, dimensi PCB, pengurusan haba dan diagnosis kesalahan, yang merupakan beberapa prasyarat penting sepanjang keseluruhan voltan bekalan dan julat suhu.

Selanjutnya, sebagai kuantiti LED meningkat , reka bentuk litar menggunakan tahap BJT diskrit semakin canggih.

Berbanding dengan bahagian diskrit, berlaku Alternatif berasaskan IC nampaknya lebih sesuai dengan susun atur litar, tetapi juga prosedur reka bentuk dan penilaian.

Selain itu, ubat umum mungkin lebih berpatutan.

Parameter untuk Merancang Pemacu LED Automotif

Oleh itu, semasa merancang litar pemacu LED untuk pencahayaan automotif aplikasi, adalah mustahak untuk merenungkan titik fokus LED, menilai alternatif reka bentuk litar, dan faktor dalam tuntutan sistem.

LED sebenarnya adalah diod simpang jenis-P-N (PN) yang membolehkan arus bergerak melaluinya hanya dalam satu arah. Arus mula mengalir sebaik voltan melintasi LED mencapai voltan hadapan minimum (VF).

Tahap pencahayaan atau kecerahan LED ditentukan oleh arus maju (IF) sementara berapa arus LED yang digunakan bergantung pada voltan yang diterapkan di LED.

Walaupun kecerahan LED dan IF arus maju saling berkaitan secara linear, walaupun sedikit peningkatan voltan maju VF di seluruh LED dapat mencetuskan peningkatan yang cepat dalam pengambilan LED semasa.

LED dengan spesifikasi warna yang berbeza mempunyai spesifikasi VF dan IF yang berbeza kerana ramuan semikonduktornya yang spesifik (Rajah 2). Adalah perlu untuk mempertimbangkan setiap spesifikasi lembar data LED, terutamanya semasa menggunakan LED warna yang berbeza dalam satu litar.

Gambar # 2

Contohnya, ketika berkembang dengan pencahayaan merah-hijau-biru (RGB) , LED merah mungkin hadir dengan penarafan voltan Maju sekitar 2 V, sementara yang sama untuk LED biru dan hijau mungkin sekitar 3 hingga 4 V.

Memandangkan anda menggunakan LED ini dari satu voltan biasa, anda mungkin memerlukan pengiraan yang baik perintang pengehad arus untuk setiap LED berwarna, untuk mengelakkan kemerosotan LED.

Kecekapan haba dan kuasa

Selain daripada voltan bekalan dan parameter semasa, kecekapan suhu dan kuasa juga menuntut analisis yang teliti. Walaupun, sebahagian besar arus yang diterapkan di LED diubah menjadi lampu LED, sejumlah kecil daya diubah menjadi panas di dalam persimpangan PN peranti.

Suhu yang dihasilkan di persimpangan LED boleh dipengaruhi secara serius oleh beberapa parameter luaran seperti:

• oleh suhu atmosfera (TA),
• oleh rintangan haba antara persimpangan LED dan udara ambien (RθJA),
• dan oleh pelesapan kuasa (PD).

Persamaan 1 berikut mendedahkan PD pelesapan kuasa LED:

PD = VF × IF ------------ Persamaan # 1

Dengan bantuan perkara di atas, kita dapat memperoleh persamaan berikut yang mengira suhu persimpangan (TJ) LED:

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

Adalah mustahak untuk menentukan TJ bukan hanya dalam keadaan kerja normal, tetapi juga di bawah TA suhu maksimum maksimum reka bentuk, berkenaan dengan masalah senario terburuk.

Apabila suhu persimpangan LED TJ meningkat, kecekapan kerjanya merosot. Suhu persimpangan LED hadapan dan suhu TJ LED mesti berada di bawah penilaian maksimum mutlaknya, seperti yang diklasifikasikan oleh lembaran data, untuk melindungi daripada kemusnahan (Gambar 3)

Gambar # 3

Selain LED, anda juga harus mengambil kira kecekapan daya perintang dan elemen penggerak seperti BJT dan penguat operasi (op amp), khususnya apabila jumlah komponen diskrit meningkat.

Kecekapan daya tahap pemandu yang tidak mencukupi, tempoh masa LED dan / atau suhu persekitaran semua faktor ini boleh menyebabkan kenaikan suhu peranti, mempengaruhi output semasa pemandu BJT, dan mengurangkan penurunan LED VF .

Oleh kerana kenaikan suhu mengurangkan penurunan voltan ke hadapan LED, kadar penggunaan semasa LED meningkat yang membawa kepada peningkatan PD dan suhu disipasi kuasa, dan ini menyebabkan penurunan penurunan voltan hadapan LED VF.

Kitaran kenaikan suhu yang berterusan ini, juga disebut sebagai 'pelarian termal,' memaksa LED berfungsi di atas suhu operasi optimumnya, menyebabkan penurunan cepat, dan pada suatu saat kegagalan perangkat, karena peningkatan tahap penggunaan IF .

Pemacu LED Linear

Mengendalikan LED secara linear melalui transistor atau IC sebenarnya sangat senang. Dari semua kemungkinan, pendekatan paling mudah untuk mengawal LED biasanya adalah menghubungkannya tepat di seberang sumber voltan bekalan (VS).

Mempunyai perintang had semasa yang betul menyekat tarikan arus peranti dan memperbaiki penurunan voltan yang tepat untuk LED. Persamaan 3 berikut dapat digunakan untuk mengetahui nilai perintang siri (RS):

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

Merujuk pada Gambar # 4 kita melihat bahawa 3 LED digunakan secara bersiri, keseluruhan penurunan voltan VF di 3 LED harus dipertimbangkan oleh pengiraan VF (arus hadapan LED IF tetap berterusan.)

Gambar # 4

Walaupun ini boleh menjadi konfigurasi pemacu LED yang paling mudah, ia mungkin tidak praktikal dalam pelaksanaan kehidupan nyata.

Bekalan kuasa, terutamanya bateri automotif, terdedah kepada turun naik voltan.

Peningkatan kecil dalam input bekalan memicu LED untuk menarik arus yang lebih tinggi dan seterusnya musnah.

Tambahan pula, pelesapan daya yang berlebihan pada perintang akan meningkatkan suhu peranti, yang boleh menyebabkan pelarian terma.

Pemacu LED Kekal-Arus Discrete untuk Aplikasi Automotif

Apabila ciri arus berterusan digunakan, ia memastikan susun atur cekap kuasa dan boleh dipercayai yang dipertingkatkan. Oleh kerana teknik yang paling lazim digunakan untuk mengoperasikan LED adalah dengan menghidupkan dan mematikan, transistor membolehkan bekalan arus yang diatur dengan baik.

Gambar # 5

Merujuk pada Gambar 5 di atas, mungkin menggunakan BJT atau MOSFET, berdasarkan spesifikasi voltan dan arus konfigurasi LED. Transistor dengan mudah mengendalikan kuasa yang lebih besar berbanding dengan perintang, namun rentan terhadap kenaikan voltan dan perubahan suhu. Sebagai contoh, apabila voltan di sekitar BJT meningkat, arus juga meningkat secara berkadar.

Untuk menjamin kestabilan tambahan, adalah mungkin untuk menyesuaikan rangkaian BJT atau MOSFET ini untuk memberikan arus berterusan walaupun terdapat ketidakseimbangan voltan bekalan.

Merangka Sumber Semasa LED

Gambar 6 hingga 8 menunjukkan segelintir ilustrasi litar sumber semasa.

Dalam Rajah 6, dioda Zener menghasilkan voltan keluaran yang stabil ke dasar transistor.

Perintang menghadkan arus RZ memastikan arus terkawal untuk membolehkan diod Zener berfungsi dengan betul.

Output diod Zener menghasilkan voltan tetap walaupun turun naik voltan bekalan.

Penolakan voltan atas perintang pemancar RE harus melengkapkan penurunan voltan diod Zener, oleh itu transistor menyesuaikan arus pemungut yang memastikan bahawa arus melalui LED sentiasa kekal.

Menggunakan Maklum Balas Op Amp

Dalam Rajah 7 di bawah, litar op amp dengan gelung maklum balas ditunjukkan untuk membuat litar pengawal LED automotif yang ideal. Sambungan maklum balas memastikan bahawa output disesuaikan secara automatik agar potensi yang dikembangkan pada input negatifnya tetap sama dengan input rujukan positifnya.

Dioda Zener dijepit untuk menghasilkan voltan rujukan pada input op amp yang tidak terbalik. Sekiranya arus LED melebihi nilai yang telah ditentukan, ia akan menghasilkan voltan berkadar melintasi perintang rasa RS, yang cuba melampaui nilai rujukan zener.

Oleh kerana ini menyebabkan voltan pada input pembalik negatif op amp melebihi nilai zener rujukan positif, memaksa output op amp untuk mematikan yang seterusnya mengurangkan arus LED dan juga voltan merentasi RS.

Situasi ini sekali lagi mengembalikan output op amp untuk menghidupkan keadaan dan mengaktifkan LED, dan tindakan penyesuaian diri op amp ini berterusan tanpa henti memastikan bahawa arus LED tidak pernah melebihi tahap yang tidak selamat yang dikira.

Gambar 8 di atas menggambarkan satu lagi reka bentuk berdasarkan maklum balas yang dicapai dengan menggunakan beberapa BJT. Di sini, arus mengalir dengan menggunakan R1, menghidupkan transistor Q1. Arus terus bergerak melalui R2, yang menetapkan jumlah arus yang betul melalui LED.

Sekiranya arus LED ini melalui R2 cuba melebihi nilai yang telah ditentukan, penurunan voltan merentasi R2 juga meningkat secara berkadar. Pada saat penurunan voltan ini naik ke voltan asas ke pemancar (Vbe) transistor Q2, Q2 mula menyala.

Dihidupkan ON Q2 sekarang mula menarik arus melalui R1, memaksa Q1 untuk mulai mematikan dan keadaan terus menyesuaikan arus melalui LED memastikan bahawa arus LED tidak pernah melampaui tahap yang tidak selamat ..

Ini pengehad arus transistor dengan gelung maklum balas menjamin bekalan arus berterusan ke LED mengikut nilai yang dikira R2. Dalam contoh di atas BJT dilaksanakan tetapi bagaimanapun juga layak menggunakan MOSFET dalam litar ini, untuk aplikasi semasa yang lebih tinggi.

Pemacu LED Arus Tetap menggunakan Litar Bersepadu

Blok bangunan berdasarkan transistor penting ini, dapat ditiru dengan mudah untuk mengendalikan beberapa rentetan LED, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9.

Mengawal sekumpulan Tali LED dengan cepat menyebabkan jumlah komponen meningkat, menempati ruang PCB yang lebih tinggi dan menghabiskan lebih banyak pin input / output tujuan umum (GPIO).

Lebih-lebih lagi, reka bentuk sedemikian pada dasarnya tanpa pertimbangan kawalan kecerahan dan diagnostik kesalahan, yang merupakan keperluan penting bagi kebanyakan aplikasi LED kuasa.

Untuk memasukkan spesifikasi seperti kawalan kecerahan dan diagnostik kesalahan memerlukan tambahan komponen diskrit dan prosedur analisis reka bentuk tambahan.

Reka bentuk LED yang merangkumi bilangan LED yang lebih tinggi , menyebabkan reka bentuk litar diskrit merangkumi bilangan bahagian yang lebih tinggi, meningkatkan kerumitan litar.

Untuk melancarkan proses reka bentuk, dianggap paling berkesan untuk diterapkan IC khusus untuk berfungsi sebagai pemacu LED . Sebilangan besar komponen diskrit seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9 dapat dipermudah dengan pemacu LED berasaskan IC seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10.

Gambar # 10

IC pemandu LED direka khas untuk menangani voltan kritikal, arus dan spesifikasi suhu LED, dan juga untuk meminimumkan jumlah bahagian dan dimensi papan.

Selanjutnya, IC pemandu LED mungkin mempunyai ciri tambahan untuk kawalan kecerahan dan diagnostik, termasuk perlindungan suhu lebih. Walaupun begitu, mungkin untuk mencapai ciri-ciri canggih di atas menggunakan reka bentuk berdasarkan BJT diskrit juga, tetapi IC nampaknya merupakan alternatif yang lebih mudah, secara perbandingan.

Cabaran dalam Aplikasi LED Automotif

Dalam banyak pelaksanaan LED automotif, kawalan kecerahan menjadi keperluan penting.

Sejak menyesuaikan arus maju IF melalui LED menyesuaikan tahap kecerahan secara berkadar, reka bentuk analog dapat digunakan untuk mencapai hasilnya. Kaedah digital kawalan kecerahan LED adalah melalui modulasi lebar PWM atau denyut nadi. Perincian berikut menganalisis dua konsep dan menunjukkan bagaimana mereka dapat diterapkan untuk aplikasi LED automotif

Perbezaan Antara Kawalan Kecerahan LED Analog dan PWM

Rajah 11 menilai perbezaan utama antara kaedah analog dan digital untuk mengawal kecerahan LED.

Gambar # 11

Dengan menggunakan kawalan kecerahan LED analog, pencahayaan LED diubah melalui besarnya arus yang mengalir menghasilkan arus yang lebih besar menghasilkan kecerahan yang meningkat dan sebaliknya.

Tetapi, kualiti peredupan analog atau kawalan kecerahan tidak memuaskan, terutamanya pada julat kecerahan yang lebih rendah. Peredupan analog biasanya tidak sesuai untuk aplikasi LED yang bergantung pada warna, seperti pencahayaan RGB atau penunjuk status kerana IF yang berbeza cenderung mempengaruhi output warna LED, menyebabkan resolusi warna yang buruk dari LED RGB.

Berbeza, Dimmer LED berasaskan PWM jangan ubah arus LED ke hadapan JIKA, sebaliknya mengawal intensiti dengan mengubah kadar suis ON / OFF LED. Kemudian, arus LED masa ON rata-rata memutuskan kecerahan berkadar pada LED. Ia juga disebut siklus tugas (nisbah lebar nadi terhadap selang nadi PWM). Melalui PWM, kitaran tugas yang lebih tinggi menghasilkan arus rata-rata yang lebih tinggi melalui LED menyebabkan kecerahan yang lebih tinggi dan sebaliknya.

Oleh kerana anda dapat mengubah siklus tugas dengan baik ke pelbagai jarak pencahayaan, peredupan PWM membantu mencapai nisbah peredupan yang jauh lebih luas berbanding dengan peredupan analog.

Walaupun PWM menjamin output kawalan kecerahan yang ditingkatkan, ia memerlukan lebih banyak analisis reka bentuk. Frekuensi PWM harus jauh lebih tinggi daripada yang dapat dilihat oleh penglihatan kita, jika tidak, LED mungkin akan kelihatan seperti mereka berkedip. Tambahan pula, litar dimmer PWM terkenal kerana menghasilkan gangguan elektromagnetik (EMI).

Gangguan dari Pemacu LED

Litar pemacu LED automotif yang dibina dengan kawalan EMI yang tidak mencukupi boleh menjejaskan perisian elektronik lain yang berdekatan, seperti penghasilan bunyi bising di radio atau peralatan audio sensitif yang serupa.

IC pemacu LED tentunya dapat memberi anda kedua-dua ciri peredupan analog dan PWM bersama dengan fungsi tambahan untuk mengatasi EMI, seperti kadar slew yang dapat diprogramkan, atau peralihan fasa saluran output atau penundaan kumpulan.

Diagnostik LED dan pelaporan kesalahan

Diagnostik LED yang merangkumi pemanasan berlebihan, litar pintas atau litar terbuka adalah prasyarat reka bentuk yang popular, terutamanya apabila aplikasi menuntut operasi LED yang banyak. Meminimumkan risiko kerosakan LED, pemacu LED mempunyai arus keluaran yang diatur dengan ketepatan yang lebih tinggi daripada topolgi diskrit berdasarkan transistor.

Seiring dengan ini, pemacu IC juga menggabungkan perlindungan suhu lebih tinggi untuk memastikan jangka hayat operasi LED yang lebih tinggi dan litar pemandu itu sendiri.

Pemacu LED yang direka untuk kenderaan mesti dilengkapi untuk mengesan kesalahan, contohnya litar terbuka atau litar pintas LED. Beberapa aplikasi mungkin juga memerlukan tindakan susulan untuk mengatasi kesalahan yang dikesan.

Sebagai contoh, modul lampu belakang kereta merangkumi sejumlah rentetan LED untuk menerangi lampu belakang dan lampu brek. Sekiranya terdapat kerosakan LED yang terdeteksi pada salah satu rentetan LED, maka rangkaian mesti dapat mematikan keseluruhan susunan LED, untuk memastikan kerosakan lebih lanjut pada LED yang tersisa dapat dielakkan.

Tindakan itu juga akan memberi amaran kepada pengguna mengenai modul LED yang tidak standard yang perlu dinyahpasang dan dihantar untuk penyelenggaraan kepada pengeluar.

Modul Kawalan Badan (BCM)

Untuk dapat memberi amaran diagnostik kepada pengguna kereta, suis sisi tinggi pintar di modul kawalan badan (BCM) mencatat kesalahan melalui elemen lampu belakang seperti yang digambarkan dalam Gambar 12 di atas.

Walaupun begitu, pengenalpastian kesalahan LED melalui BCM boleh menjadi rumit. Kadang-kadang anda mungkin menggunakan reka bentuk papan BCM yang sama untuk mengesan litar berasaskan lampu pijar piawai atau sistem berasaskan LED kerana arus LED cenderung jauh lebih kecil berbanding dengan penggunaan lampu pijar, membezakan antara beban LED logik.

Kesimpulannya

Beban terbuka atau terputus mungkin sukar untuk dikenal pasti jika diagnostik akal semasa tidak dirancang dengan tepat. Daripada mempunyai tali LED terbuka individu, mematikan keseluruhan rentetan tali LED menjadi lebih mudah dikesan untuk BCM kerana melaporkan keadaan beban terbuka. Satu syarat yang memastikan bahawa jika One-LED-fail maka All-LED-gagal kriteria dapat dilaksanakan untuk mematikan semua LED ketika mengesan satu kesalahan LED. Pemacu LED linier automotif merangkumi ciri yang membolehkan reaksi satu-kegagalan-semua-kegagalan dan dapat mengenal pasti bas ralat yang sama di seluruh konfigurasi IC.