Automotive LED Driver Circuits - Design Analysis

I bilar eller bilar har lysdioder vuxit till att vara det föredragna valet av belysning. Oavsett om det är de bakre bakljusen eller kontrollamporna i klustret som anges i figur 1 nedan, alla har nu lysdioder. Deras kompakta dimensioner hjälper till att vara mångsidiga i designen och ger möjligheten att vara lika hållbar som fordonets livslängd.

Figur 1

Å andra sidan, även om lysdioder är mycket effektiva enheter, är de sårbara för försämring av oreglerade spännings-, ström- och temperaturparametrar, särskilt i det hårda fordonsekosystemet.

För att kunna förbättra LED-ljusets effektivitet och varaktighet, LED-drivkretsdesign kräver försiktig analys.

Elektroniska kretsar som används som LED-drivrutiner använder i princip transistorer. En standard kretstopologi som ofta används i LED-drivrutiner råkar vara linjär topologi, där transistorn är utformad för att fungera inuti det linjära området.

Denna topologi ger oss möjlighet att göra drivkretsar endast genom transistorer eller använda specialiserade IC-enheter med inbyggda transistorer och ytterligare LED-förbättringsfunktioner.

I diskreta applikationer tenderar bipolära övergångstransistorer (BJT), som är mycket tillgängliga råvaruprodukter, att vara favorit.

Trots att BJT är enkla att konfigurera ur kretsperspektiv kan man hitta stora komplikationer samtidigt som man skapar en total LED-drivarlösning som uppfyller strömstyrningsnoggrannhet, PCB-dimension, värmehantering och feldiagnos, vilket är några viktiga förutsättningar hela tiden hela matningsspänningen och temperaturområdet.

Dessutom, som mängden lysdioder ökar , kretsdesign med diskreta BJT-steg blir ännu mer sofistikerade.

Jämfört med diskreta delar, applicering IC-baserade alternativ verkar vara mer bekvämt med avseende på kretslayouten, men dessutom design- och utvärderingsförfarandena.

Förutom det kan det allmänna botemedlet kanske vara ännu billigare.

Parametrar för design av LED-drivrutiner för fordon

Därför, när du utformar LED-drivkretsar för en bilbelysning tillämpning, är det viktigt att överväga LED-kontaktpunkter, utvärdera kretsdesignalternativ och faktorer i systemkrav.

En lysdiod är faktiskt en P-typ N-typ (PN) korsningsdiod som gör att strömmen kan röra sig genom den bara i en enda riktning. Strömmen börjar strömma så snart spänningen över lysdioden når den lägsta framspänningen (VF).

Ljusnivån eller ljusstyrkan hos en LED bestäms av framströmmen (IF) medan hur mycket ström en LED förbrukar beror på spänningen som appliceras över LED-lampan.

Även om LED-ljusstyrkan och framåtströmmen IF är linjärt relaterade, kan även en liten ökning av framspänningen VF över lysdioden utlösa en snabb eskalering av LED-strömens intag.

Lysdioder med olika färgspecifikationer har olika VF- och IF-specifikationer på grund av deras specifika halvledaringredienser (figur 2). Det är nödvändigt att ta hänsyn till varje LED: s databladspecifikationer, särskilt när du använder olika färg-LED-lampor i en enda krets.

Figur 2

Till exempel när man utvecklar med röd-grön-blå (RGB) belysning kan en röd lysdiod komma att ha en spänning framåt på cirka 2 V, medan samma för en blå och grön lysdiod kan vara runt 3 till 4 V.

Med tanke på att du använder dessa lysdioder från en enda gemensam spänningsförsörjning kan du behöva en väl beräknad strömbegränsande motstånd för var och en av de färgade lysdioderna för att undvika att LED försämras.

Termisk och energieffektivitet

Förutom matningsspänning och strömparametrar kräver temperatur och energieffektivitet också noggrann analys. Även om det mesta av strömmen som appliceras över en LED omvandlas till LED-ljus omvandlas en liten mängd ström till värme inom enhetens PN-korsning.

Temperaturen som genereras över en LED-korsning kan påverkas allvarligt av några externa parametrar som:

• med atmosfärstemperatur (TA),
• av det termiska motståndet mellan LED-förbindelsen och den omgivande luften (RθJA),
• och genom kraftförlust (PD).

Följande ekvation 1 avslöjar spänningsspecifikationen PD för en lysdiod:

PD = VF × IF ------------ Eq # 1

Med hjälp av ovanstående kan vi vidare härleda följande ekvation som beräknar kopplingstemperaturen (TJ) för en LED:

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

Det är viktigt att bestämma TJ inte bara under normala arbetsförhållanden utan också under en absolut maximal omgivningstemperatur TA för konstruktionen, med hänsyn till värsta fall.

När LED-anslutningstemperaturen TJ ökar försämras dess arbetseffektivitet. En LED: s framåtriktade IF och kopplingstemperatur TJ måste ligga under deras absoluta maximala värden, som klassificeras av datablad, för att skydda mot förstörelse (Figur 3).

Figur # 3

Förutom lysdioderna bör du också ta hänsyn till effekteffektiviteten hos motstånd och drivelement som BJT och operationsförstärkare (op-förstärkare), särskilt när mängden diskreta komponenter ökar.

Otillräcklig effektivitet hos förarstegen, lysdioden i tid och / eller omgivningstemperaturen, alla dessa faktorer kan leda till en höjning av temperaturen på enheten, vilket påverkar BJT-drivrutins nuvarande uteffekt, och minskar VF-dropp på lysdioderna .

Eftersom temperaturökningen minskar lysdiodernas framåt spänningsfall, ökar lysdiodens strömförbrukningshastighet vilket leder till en proportionellt ökad effektförlust PD och temperatur, och detta orsakar ytterligare minskning av LED: s framåt spänningsfall VF.

Denna cykel med kontinuerlig temperaturhöjning, även kallad 'termisk utsläpp', tvingar lysdioderna att fungera över sin optimala driftstemperatur, vilket orsakar snabb nedbrytning och vid något tillfälle fel på enheten på grund av en ökad nivå av IF-förbrukning .

Linjära LED-drivrutiner

Att använda lysdioder linjärt genom antingen transistorer eller IC är faktiskt ganska bekvämt. Av alla möjligheter är det enklaste sättet att styra en LED vanligtvis att ansluta den tvärs över matningsspänningskällan (VS).

Att ha rätt strömbegränsande motstånd begränsar enhetens strömförbrukning och fixerar ett exakt spänningsfall för lysdioden. Följande ekvation 3 kan användas för att utarbeta seriemotståndsvärdet (RS):

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

Med hänvisning till figur # 4 ser vi att 3 lysdioder används i serie, hela spänningsfallet VF över de tre lysdioderna bör beaktas av VF-beräkningen (lysdioden framåtström IF förblir konstant.)

Figur # 4

Även om detta kan vara den enklaste LED-drivrutinkonfigurationen, kan det vara ganska opraktiskt i en verklig implementering.

Strömförsörjning, särskilt bilbatterier, är känsliga för spänningsvariationer.

En mindre ökning av matningsingången leder till att lysdioden drar högre mängder ström och därmed förstörs.

Vidare ökar överdriven kraftförlust PD i motståndet anordningstemperaturen, vilket kan ge upphov till termisk utsläpp.

Diskreta LED-drivrutiner med konstant ström för biltillämpning

När en konstant strömfunktion används garanterar den en förbättrad energieffektiv och pålitlig layout. Eftersom den vanligaste tekniken för att driva en lysdiod är genom en på- och avkoppling möjliggör en transistor en väl reglerad strömförsörjning.

Figur # 5

Med hänvisning till figur 5 ovan kan det vara möjligt att välja antingen en BJT eller en MOSFET, baserat på spännings- och strömspecifikationerna för LED-konfigurationen. Transistorer hanterar enkelt större effekt jämfört med ett motstånd, men är ändå känsliga för spänningsupp- och nedgångar och temperaturvariationer. Till exempel när spänningen runt en BJT ökar, ökar dess ström också proportionellt.

För att garantera ytterligare stabilitet är det möjligt att anpassa dessa BJT- eller MOSFET-kretsar för att leverera konstant ström trots obalanser i matningsspänningen.

Designa LED-strömkälla

Figurerna 6 till 8 visar en handfull strömkälla-illustrationer.

I figur 6 genererar en Zener-diod en stabil utspänning i transistorns bas.

Strömbegränsande motstånd RZ säkerställer en kontrollerad ström så att Zener-dioden fungerar korrekt.

Zener-diodutgången producerar en konstant spänning trots fluktuationer i matningsspänningen.

Spänningsfallet över emittermotståndet RE bör komplettera Zener-diodens spänningsfall, därför justerar transistorn kollektorströmmen vilket säkerställer att strömmen genom lysdioderna alltid förblir konstant.

Använda en feedback från Op Amp

I figur 7 nedan visas en op-amp-krets med en återkopplingsslinga för att skapa en idealisk LED-styrkrets för fordon. Feedbackanslutningen säkerställer att utgången justeras automatiskt så att den potential som utvecklas vid dess negativa ingång förblir lika med dess positiva referensingång.

En Zener-diod är fastspänd för att generera en referensspänning vid den icke-inverterande ingången på op-förstärkaren. Om lysdiodernas ström överstiger ett förutbestämt värde utvecklar den en proportionell mängd spänning över avkänningsmotståndet RS, som försöker överträffa zenerreferensvärdet.

Eftersom detta medför att spänningen vid den negativa inverterande ingången hos op-förstärkaren överstiger det positiva referenszenervärdet, tvingar op-amp-utgången att stängas AV vilket i sin tur minskar LED-strömmen och även spänningen över RS.

Denna situation återställer op-förstärkarens utgång för att sätta PÅ-tillståndet och aktiverar lysdioden, och denna självjusterande åtgärd för förstärkaren fortsätter oändligt och säkerställer att LED-strömmen aldrig överstiger den beräknade osäkra nivån.

Figur 8 ovan illustrerar ytterligare en feedbackbaserad design utförd med användning av ett par BJT. Här strömmar strömmen med hjälp av R1 och slår PÅ transistorn Q1. Strömmen fortsätter att resa via R2, som fixar rätt mängd ström genom lysdioderna.

Om denna LED-ström genom R2 försöker överstiga det förutbestämda värdet ökar också spänningsfallet över R2 proportionellt. I det ögonblick som detta spänningsfall stiger upp till bas-till-emitter-spänningen (Vbe) för transistorn Q2 börjar Q2 slå PÅ.

När du är PÅ Q2 börjar nu dra ström genom R1, vilket tvingar Q1 att börja stängas av och tillståndet fortsätter att själv justera strömmen genom lysdioden så att LED-strömmen aldrig går utöver den osäkra nivån.

Detta transistoriserad strömbegränsare med återkopplingsslinga garanterar en konstant strömförsörjning till lysdioderna enligt det beräknade värdet på R2. I exemplet ovan implementeras BJT men ändå är det också möjligt att använda MOSFET i denna krets för applikationer med högre ström.

LED-drivrutiner med konstant ström som använder integrerade kretsar

Dessa väsentliga transistorbaserade byggstenar kan enkelt replikeras för att driva flera strängar av LED, som visas i figur 9.

Styr en grupp av LED-strängar orsakar snabbt att komponentantalet ökar, upptar högre PCB-utrymme och förbrukar mer antal GPIO-stift för allmänt bruk.

Dessutom är sådana konstruktioner i princip utan ljusstyrning och feldiagnostik överväganden, som är väsentliga behov för de flesta LED-applikationer.

För att inkludera specifikationerna som ljusstyrningskontroll och feldiagnostik krävs ytterligare antal diskreta komponenter och tillagda designanalysprocedurer.

LED-design som inkluderar högre antal lysdioder , får diskreta kretskonstruktioner att inkludera högre antal delar, vilket ökar kretsens komplexitet.

För att effektivisera designprocessen anses det vara mest effektivt att tillämpa specialiserade IC: er för att fungera som LED-drivrutiner . Många av diskreta komponenter som indikeras i figur 9 kan underlättas med en IC-baserad LED-drivrutin som avslöjas i figur 10.

Figur # 10

LED-drivkretsar är speciellt utformade för att hantera kritiska spännings-, ström- och temperaturspecifikationer för lysdioder, och även för att minimera delantalet och kortets dimensioner.

Dessutom kan LED-drivkretsar ha ytterligare funktioner för ljusstyrningskontroll och diagnostik, inklusive övertemperaturskydd. Med det sagt kan det vara möjligt att uppnå ovanstående avancerade funktioner med diskreta BJT-baserade mönster också, men IC verkar vara ett enklare alternativ jämfört.

Utmaningar i fordons LED-applikationer

I många LED-implementeringar för fordon blir ljusstyrning en nödvändighet.

Eftersom justering av framåtströmmen IF genom lysdioden justerar ljusstyrkan proportionellt, kan analoga mönster användas för att uppnå resultaten. En digital metod för LED-ljusstyrningskontroll är genom PWM eller pulsbreddsmodulering. Följande detaljer analyserar de två begreppen och visar hur de kan användas för LED-applikationer för fordon

Skillnaden mellan analog och PWM LED-ljusstyrkekontroll

Figur 11 utvärderar huvudskillnaden mellan analoga och digitala metoder för att kontrollera LED-ljusstyrka.

Figur # 11

Genom att använda analog LED-ljusstyrka ändras LED-belysningen genom storleken på den strömmande strömmen, större ström resulterar i ökad ljusstyrka och vice versa.

Men kvaliteten på analog dimning eller ljusstyrningskontroll är inte tillfredsställande, speciellt vid lägre ljusstyrkeområden. Analog avbländning är vanligtvis inte lämplig för färgberoende LED-applikationer, som RGB-belysning eller statusindikatorer, eftersom varierande IF tenderar att påverka LED-färgen och orsaka dålig färgupplösning från RGB-lysdioderna.

I kontrast, PWM-baserade LED-dimmare variera inte lysdioden framåtström IF, utan styr intensiteten genom att variera ON / OFF-omkopplingshastigheten lysdioderna. Därefter bestämmer LED-strömens genomsnittliga PÅ-tid den proportionella ljusstyrkan på lysdioden. Det kallas också arbetscykeln (förhållandet mellan pulsbredd och PWMs pulsintervall). Genom PWM resulterar en högre arbetscykel i en högre medelström genom lysdioden vilket orsakar högre ljusstyrka och vice versa.

På grund av det faktum att du kan finjustera arbetscykeln till olika belysningsområden, hjälper PWM-dimning till att uppnå ett mycket bredare dimningsförhållande jämfört med analog dimning.

Även om PWM garanterar en förbättrad ljusstyrkautgång, kräver det mer designanalys. PWM-frekvensen måste vara mycket högre än vad vår vision kan uppfatta, annars kan lysdioderna sluta se ut som de blinkar. Dessutom är PWM-dimmerkretsar ökända för att generera elektromagnetisk störning (EMI).

Störning från LED-drivrutiner

En fordons-LED-drivkrets byggd med otillräcklig EMI-kontroll kan påverka andra närliggande elektroniska programvaror negativt, såsom generering av surrande ljud i radio eller liknande känslig ljudutrustning.

LED-drivkretsar kan säkert ge dig både analoga och PWM-dimningsfunktioner tillsammans med tilläggsfunktioner för att hantera EMI, såsom programmerbar svänghastighet eller utgångskanal fasförskjutning eller gruppfördröjning.

LED-diagnostik och felrapportering

LED-diagnostik som inkluderar överhettning, kortslutning eller öppen krets är en populär designförutsättning, särskilt när applikationen kräver flera LED-funktioner. LED-drivrutiner minimerar risken för LED-fel och har reglerad utström med större precision än transistorbaserade diskreta drivrutiner.

Tillsammans med detta innehåller IC-drivrutiner dessutom över temperaturskydd för att säkerställa högre livslängd för lysdioderna och förarkretsen i sig.

LED-drivrutiner avsedda för bilar måste vara utrustade för att upptäcka fel, till exempel en LED öppen eller kortslutning. Några applikationer kan också kräva uppföljningsåtgärder för att motverka ett upptäckt fel.

Som ett exempel innehåller en bilbelysningsmodul ett antal strängar av lysdioder för att belysa bakljus och bromsljus. I händelse av att ett trasigt LED-fel upptäcks i en av LED-strängarna måste kretsen kunna stänga av hela LED-matrisen för att säkerställa att ytterligare skador på de återstående lysdioderna kan undvikas.

Åtgärden varnar också användaren angående den icke-standardiserade nedbrytade LED-modulen som måste avinstalleras och skickas för underhåll till tillverkaren.

Body Control Modules (BCM)

För att kunna tillhandahålla en diagnosvarning till bilanvändaren, en intelligent högsidoswitch i kroppskontrollmodul (BCM) registrerar ett fel genom bakljuselementet som illustreras i ovanstående figur 12.

Med detta sagt kan identifiering av ett LED-fel genom BCM vara komplicerat. Ibland kan du använda samma BCM-kortdesign för att upptäcka en standard glödlampa-baserad krets eller ett LED-baserat system eftersom LED-ström tenderar att vara väsentligt mindre i motsats till glödlampans förbrukning, vilket skiljer mellan en logisk LED-belastning.

Slutsats

En öppen eller frånkopplad belastning kan vara svår att identifiera om strömavkänningsdiagnostiken inte är korrekt utformad. Istället för att ha en enskild öppen LED-sträng blir det lättare att upptäcka hela strängen med LED-strängar för BCM för rapportering av en öppen belastningssituation. Ett villkor som säkerställer att om One-LED-fail kan All-LED-fail-kriterium utföras för att stänga av alla LED-lampor vid upptäckt av ett enda LED-fel. Linjära LED-drivrutiner för fordon inkluderar funktionen som möjliggör en one-fail-all-fail-reaktion och kan identifiera en vanlig felbuss genom flera IC-konfigurationer.