Automobilių LED vairuotojų grandinės - dizaino analizė

Automobiliuose ar automobiliuose šviesos diodai tapo mėgstamiausiu apšvietimo pasirinkimu. Nesvarbu, ar tai galiniai galiniai žibintai, ar signalinės lemputės indikatoriai grupėje, kaip parodyta 1 paveiksle, šiais laikais visi turi šviesos diodus. Jų kompaktiški matmenys padeda universaliai projektuoti ir suteikia perspektyvą būti tokiam pat patvariam, kaip pati transporto priemonės gyvenimo trukmė.

Figūra 1

Kita vertus, net jei šviesos diodai yra labai efektyvūs įtaisai, jie yra lengvai pažeidžiami dėl nereguliuojamos įtampos, srovės ir temperatūros parametrų, ypač atšiaurioje automobilių ekosistemoje.

Norėdami padidinti LED šviesos efektyvumą ir pastovumą, LED tvarkyklės grandinės dizainas reikalauja atsargios analizės.

Elektroninėse grandinėse, kurios naudojamos kaip LED tvarkyklės, iš esmės naudojami tranzistoriai. Viena standartinė grandinės topologija, dažnai naudojama LED tvarkyklėse, yra linijinė topologija, kai tranzistorius suprojektuotas veikti tiesiniame regione.

Ši topologija suteikia mums galimybę padaryti vairuotojo grandinės tik per tranzistorius arba naudojant specializuotus IC su įmontuotais tranzistoriais ir papildomomis LED stiprinimo funkcijomis.

Atskirose programose bipoliniai jungiamieji tranzistoriai (BJT), kurie yra labai prieinami prekių produktai, yra mėgstamiausi.

Nepaisant to, kad BJT yra lengva konfigūruoti grandinės požiūriu, galima rasti didelių komplikacijų kuriant bendrą LED tvarkyklės sprendimą, kuris atitinka dabartinį valdymo tikslumą, PCB matmenis, šilumos valdymą ir gedimų diagnostiką, kurios yra kelios svarbios prielaidos visoje visas darbinis maitinimo įtampos ir temperatūros diapazonas.

Be to, kaip padidėja šviesos diodų kiekis , grandinės projektavimas naudojant atskirus BJT etapus tampa dar sudėtingesnis.

Palyginti su atskiromis dalimis, taikymas IC pagrįstos alternatyvos atrodo patogiau atsižvelgiant į grandinės išdėstymą, bet papildomai ir į dizaino bei vertinimo procedūras.

Be to, galbūt bendra priemonė gali būti dar labiau prieinama.

Automobilių LED vairuotojų projektavimo parametrai

Todėl, projektuojant LED tvarkyklių grandines automobilių apšvietimas taikymą, būtina atsižvelgti į šviesos diodų židinio taškus, įvertinti grandinių projektavimo alternatyvas ir sistemos poreikių veiksnius.

Šviesos diodas iš tikrųjų yra P tipo N tipo (PN) jungties diodas, leidžiantis srovei judėti per jį tik viena kryptimi. Srovė pradeda tekėti, kai tik šviesos diodo įtampa pasiekia mažiausią įtampą į priekį (VF).

Šviesos diodo apšvietimo lygį arba ryškumą lemia priekinė srovė (IF), o šviesos diodo sunaudojamos srovės stipris priklauso nuo šviesos diode įtampos.

Nors šviesos diodo ryškumas ir priekinė srovė IF yra tiesiškai susiję, net nedidelis priekinės įtampos VF padidėjimas visame šviesos diode gali sukelti greitą šviesos diodo srovės padidėjimą.

Skirtingų spalvų specifikacijų šviesos diodai turi skirtingas VF ir IF specifikacijas dėl savo specifinių puslaidininkių sudedamųjų dalių (2 pav.). Būtina atsižvelgti į kiekvieno LED duomenų lapo specifikacijas, ypač taikant skirtingų spalvų šviesos diodus vienoje grandinėje.

2 paveikslas

Pavyzdžiui, kai kuriate su raudonai žaliai mėlynas (RGB) apšvietimas , raudonas šviesos diodas gali turėti apie 2 V įtampą, o mėlynas ir žalias šviesos diodai gali būti apie 3–4 V.

Atsižvelgiant į tai, kad šiuos šviesos diodus valdote iš vieno bendro įtampos šaltinio, gali reikėti gerai apskaičiuoti srovę ribojantis rezistorius kiekvienam iš spalvotų šviesos diodų, kad jie nesugestų.

Šilumos ir energijos efektyvumas

Be maitinimo įtampos ir srovės parametrų, temperatūros ir energijos efektyvumas taip pat reikalauja kruopščios analizės. Nors didžioji dalis šviesos diodo srovės yra paverčiama šviesos diodų šviesa, nedidelis energijos kiekis virsta šiluma prietaiso PN sankryžoje.

Šviesos diodų sankryžoje generuojamai temperatūrai gali turėti didelę įtaką keli išoriniai parametrai, pvz .:

• pagal atmosferos temperatūrą (TA),
• pagal šilumos pasipriešinimą tarp LED jungties ir aplinkos oro (RθJA),
• ir energijos išsklaidymu (PD).

Ši 1 lygtis atskleidžia šviesos diodo galios išsklaidymo specifikaciją PD:

PD = VF × IF ------------ Eq # 1

Remiantis tuo, kas išdėstyta pirmiau, mes galime toliau išvesti šią lygtį, kuri apskaičiuoja šviesos diodo jungties temperatūrą (TJ):

TJ = TA + RθJA × PD ---------- Eq # 2

Atsižvelgiant į blogiausio scenarijaus atvejus, svarbu nustatyti TJ ne tik normaliomis darbo sąlygomis, bet ir atsižvelgiant į absoliučią maksimalią aplinkos temperatūrą TA.

Didėjant šviesos diodų jungties temperatūrai TJ, blogėja jo darbo efektyvumas. Šviesos diodo priekinė srovė IF ir sankryžos temperatūra TJ turi likti žemiau absoliučių didžiausių įvertinimų, klasifikuojamų pagal duomenų lapus, kad būtų apsaugota nuo sunaikinimo (3 pav.).

3 paveikslas

Be šviesos diodų, taip pat turėtumėte atsižvelgti į rezistorių ir varančiųjų elementų, tokių kaip BJT ir operaciniai stiprintuvai (op amperai), efektyvumą, ypač didėjant atskirų komponentų kiekiui.

Dėl nepakankamo vairuotojo energijos vartojimo efektyvumo, šviesos diodų įjungimo laikotarpio ir (arba) aplinkos temperatūros, visi šie veiksniai gali sukelti įrenginio temperatūros kilimą, įtakojantį BJT vairuotojo srovės galią ir sumažinantį šviesos diodų VF kritimą .

Temperatūros kilimas sumažina šviesos diodų įtampos kritimą į priekį, šviesos diodo srovės suvartojimo greitis didėja, dėl ko proporcingai padidėja galios išsklaidymas PD ir temperatūra, ir tai dar labiau sumažina šviesos diodų priekinės įtampos kritimą VF.

Šis nuolatinio temperatūros kilimo ciklas, dar vadinamas „terminiu bėgimu“, priverčia šviesos diodus veikti virš optimalios darbinės temperatūros, dėl padidėjusio IF suvartojimo lygio greitai sugedus prietaisui ir tam tikru momentu sugedus prietaisui. .

Linijiniai LED tvarkyklės

Šviesos diodų valdymas linijiniu būdu per tranzistorius arba IC yra iš tikrųjų gana patogus. Iš visų galimybių paprasčiausias būdas valdyti šviesos diodą yra jį prijungti tiesiai prie maitinimo įtampos šaltinio (VS).

Tinkamas srovę ribojantis rezistorius apriboja prietaiso srovės ištraukimą ir nustato tikslų šviesos diodo įtampos kritimą. Ši serijos rezistoriaus (RS) vertės apskaičiavimui galima naudoti šią 3 lygtį:

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

Remiantis 4 paveikslu, matome, kad 3 šviesos diodai naudojami nuosekliai, skaičiuojant VF turėtų būti atsižvelgta į visą įtampos kritimą VF visuose 3 šviesos dioduose (šviesos diodo priekinė srovė IF išlieka pastovi.)

4 paveikslas

Nors tai gali būti paprasčiausia LED tvarkyklės konfigūracija, tai gali būti gana nepraktiška įgyvendinant realiame gyvenime.

Maitinimo šaltiniai, ypač automobilių akumuliatoriai, yra jautrūs įtampos svyravimams.

Nedidelis tiekimo įvesties padidėjimas paskatina šviesos diodą pritraukti didesnius srovės kiekius ir dėl to sunaikinti.

Be to, dėl pernelyg didelio galios išsklaidymo rezistore padidėja prietaiso temperatūra, dėl kurios gali atsirasti terminis pabėgimas.

Diskretūs nuolatinės srovės šviesos diodų tvarkyklės automobiliams

Kai naudojama pastovios srovės funkcija, tai užtikrina efektyvesnį ir patikimą išdėstymą. Kadangi labiausiai paplitusi LED veikimo technika yra įjungimo ir išjungimo perjungimas, tranzistorius leidžia gerai reguliuoti srovės tiekimą.

5 paveikslas

Remiantis aukščiau pateiktu 5 paveikslu, gali būti įmanoma pasirinkti BJT arba MOSFET, remiantis LED konfigūracijos įtampos ir srovės specifikacijomis. Transistoriai lengvai valdo didesnę galią nei rezistorius, tačiau yra jautrūs įtampos pakilimams ir nusileidimams bei temperatūros svyravimams. Pavyzdžiui, kai įtampa aplink BJT auga, proporcingai didėja ir jos srovė.

Norint garantuoti papildomą stabilumą, galima pritaikyti šias BJT arba MOSFET grandines tiekti pastovią srovę, nepaisant to, kad nėra maitinimo įtampos disbalanso.

LED srovės šaltinio projektavimas

6–8 paveiksluose parodytos kelios srovės šaltinio grandinės iliustracijos.

6 paveiksle Zenerio diodas generuoja stabilią išėjimo įtampą į tranzistoriaus pagrindą.

Srovės ribotuvas rezistorius RZ užtikrina valdomą srovę, kad Zenerio diodas veiktų teisingai.

„Zener“ diodo išėjimas sukuria pastovią įtampą, nepaisant maitinimo įtampos svyravimų.

Įtampos kritimas virš emiterio rezistoriaus RE turėtų papildyti „Zener“ diodo įtampos kritimą, todėl tranzistorius sureguliuoja kolektoriaus srovę, kuri užtikrina, kad srovė per šviesos diodus visada išliktų pastovi.

„Op Amp“ atsiliepimų naudojimas

7 paveiksle pavaizduota op amp stiprinimo grandinė su grįžtamuoju ryšiu, kad būtų sukurta ideali automobilių LED valdiklio grandinė. Grįžtamasis ryšys užtikrina, kad išvestis bus automatiškai sureguliuota, kad neigiamame įėjime sukurtas potencialas liktų lygus teigiamajam atskaitos įėjimui.

„Zener“ diodas užspaudžiamas, kad generuotų etaloninę įtampą neinvertuojančiame op stiprintuvo įėjime. Tuo atveju, jei šviesos diodų srovė viršija iš anksto nustatytą vertę, per jutiminį rezistorių RS susidaro proporcingas įtampos dydis, kuris bando viršyti zenerio etaloninę vertę.

Kadangi dėl to įtampa neigiamame opersinio įvesties įvestyje viršija teigiamą atskaitos zenerio vertę, priverčia opo stiprintuvo išėjimą išsijungti, o tai savo ruožtu sumažina šviesos diodų srovę ir įtampą per RS.

Ši situacija vėl grąžina op amp išvestį, kad įjungtų būseną, ir įjungia šviesos diodą, o šis savireguliuojantis op amp stiprintuvas tęsiasi be galo užtikrindamas, kad LED srovė niekada neviršytų apskaičiuoto nesaugaus lygio.

8 paveiksle pavaizduotas dar vienas grįžtamuoju ryšiu pagrįstas dizainas, atliktas naudojant keletą BJT. Čia srovė teka R1 pagalba, įjungiant tranzistorių Q1. Srovė toliau keliauja per R2, kuris fiksuoja teisingą srovės kiekį per šviesos diodus.

Jei ši šviesos diodų srovė per R2 bando viršyti iš anksto nustatytą vertę, įtampos kritimas per R2 taip pat proporcingai didėja. Tą akimirką, kai šis įtampos kritimas pakyla iki tranzistoriaus Q2, Q2, bazės-spinduolio įtampos (Vbe), pradeda įsijungti.

Įjungus Q2, dabar imama srovė per R1, privertus Q1 pradėti išsijungti, o būklė nuolat reguliuoja srovę per šviesos diodą, užtikrindama, kad šviesos diodo srovė niekada neviršytų nesaugaus lygio.

Tai tranzistorinis srovės ribotuvas su grįžtamuoju ryšiu garantuoja pastovų srovės tiekimą šviesos diodams pagal apskaičiuotą R2 vertę. Ankstesniame pavyzdyje BJT yra įdiegti, tačiau vis dėlto šioje grandinėje MOSFET galima naudoti ir didesnės srovės programoms.

Pastovios srovės LED tvarkyklės, naudojančios integruotąsias grandines

Šiuos esminius tranzistorių pagrindu pagamintus blokus galima lengvai pakartoti, kad veiktų kelios šviesos diodų eilutės, kaip parodyta 9 paveiksle.

Valdyti grupę LED stygos greitai padidėja komponentų skaičius, užimant didesnę vietą PCB ir sunaudojant daugiau bendrosios paskirties įvesties / išvesties (GPIO) kaiščių.

Be to, tokiuose projektuose iš esmės netaikoma ryškumo kontrolė ir gedimų diagnostika, o tai yra esminis poreikis daugumai maitinimo LED programų.

Norint įtraukti specifikacijas, tokias kaip ryškumo valdymas ir gedimų diagnostika, reikia papildomo atskirų komponentų skaičiaus ir pridėtų dizaino analizės procedūrų.

LED dizainas, kuris apima didesnis šviesos diodų skaičius , sukelia atskirų grandinių konstrukcijas, kuriose yra didesnis dalių skaičius, padidinant grandinės sudėtingumą.

Manoma, kad norint supaprastinti projektavimo procesą efektyviausia jį taikyti specializuoti IC, kurie veikia kaip LED tvarkyklės . Kaip parodyta 10 paveiksle, daugelį atskirų komponentų, kaip nurodyta 9 paveiksle, būtų galima lengviau naudoti naudojant IC pagrįstą LED tvarkyklę.

10 paveikslas

Šviesos diodų tvarkyklių IC yra specialiai suprojektuoti sprendžiant kritinių šviesos diodų įtampos, srovės ir temperatūros specifikacijas, taip pat siekiant sumažinti dalių skaičių ir plokštės matmenis.

Be to, LED tvarkyklės IC gali turėti papildomų ryškumo valdymo ir diagnostikos funkcijų, įskaitant apsaugą nuo per temperatūros. Be to, gali būti įmanoma pasiekti aukščiau išvardytas pažangias funkcijas, naudojant ir atskirus BJT pagrįstus dizainus, tačiau IC atrodo palyginti lengvesnė alternatyva.

Automobilių LED iššūkiai

Daugelyje automobilių LED diegiant ryškumo valdymas tampa būtina būtinybe.

Kadangi priekinės srovės IF reguliavimas per šviesos diodą proporcingai reguliuoja ryškumo lygį, rezultatams pasiekti gali būti naudojami analogiški dizainai. Skaitmeninis šviesos diodų ryškumo valdymo metodas yra PWM arba impulso pločio moduliacija. Šioje detalėje analizuojamos dvi sąvokos ir parodyta, kaip jas galima pritaikyti automobilių LED programoms

Skirtumas tarp analoginio ir PWM LED ryškumo valdymo

11 paveiksle įvertintas pagrindinis skirtumas tarp analoginių ir skaitmeninių LED ryškumo reguliavimo metodų.

11 paveikslas

Naudojant analoginį šviesos diodų ryškumo valdymą, šviesos diodų apšvietimas keičiamas dėl tekančios srovės dydžio, didesnė srovė padidina ryškumą ir atvirkščiai.

Tačiau analoginio pritemdymo ar ryškumo valdymo kokybė nėra patenkinama, ypač esant mažesniam ryškumo diapazonui. Analoginis pritemdymas paprastai nėra tinkamas nuo spalvų priklausančioms šviesos diodų programoms, pvz., RGB apšvietimui ar būsenos indikatoriams, nes kintantis IF yra linkęs paveikti šviesos diodo spalvą, todėl RGB šviesos diodų spalvų skiriamoji geba yra bloga.

Priešingai, PWM šviesos diodų reguliatoriai nekeiskite šviesos diodų priekinės srovės IF, veikiau valdykite intensyvumą keisdami šviesos diodų įjungimo / išjungimo perjungimo greitį. Tada vidutinė įjungimo laiko šviesos diodo srovė nustato proporcingą šviesos diodo ryškumą. Jis taip pat vadinamas darbo ciklu (impulso pločio santykis per PWM pulso intervalą). Naudojant PWM, didesnis darbo ciklas lemia didesnę vidutinę srovę per šviesos diodą, sukeliantį didesnį ryškumą ir atvirkščiai.

Atsižvelgiant į tai, kad jūs galite smulkiai pakoreguoti darbo ciklą pagal įvairius apšvietimo diapazonus, PWM pritemdymas padeda pasiekti kur kas platesnį pritemdymo koeficientą, lyginant su analoginiu.

Nors PWM garantuoja patobulintą ryškumo valdymo išvestį, reikia daugiau analizuoti. PWM dažnis turi būti daug didesnis nei mato mūsų regėjimas, nes priešingu atveju šviesos diodai gali pasirodyti tarsi mirksintys. Be to, PWM reguliatorių grandinės garsėja elektromagnetinių trukdžių (EMI) generavimu.

LED tvarkyklių trukdžiai

Automobilio šviesos diodų tvarkyklių schema, sukonstruota netinkamai valdant EMI, gali neigiamai paveikti kitas kaimynines elektronines programines įrangą, pavyzdžiui, radijo ar panašios jautrios garso įrangos generavimą.

Šviesos diodų tvarkyklių IC, be abejo, gali suteikti jums tiek analogines, tiek PWM pritemdymo funkcijas, taip pat papildomas funkcijas, skirtas EMI problemoms spręsti, pvz., Programuojamą nufotografavimo greitį, išvesties kanalo fazės poslinkį ar grupės vėlavimą.

LED diagnostika ir pranešimai apie gedimus

Šviesos diodų diagnostika, apimanti perkaitimą, trumpąjį jungimą ar atvirą grandinę, yra populiari sąlyga projektuoti, ypač kai programai reikia kelių šviesos diodų valdymo. Sumažindami šviesos diodų veikimo sutrikimų riziką, LED tvarkyklės reguliuoja išėjimo srovę tiksliau nei tranzistorių pagrindu veikiančios atskiros tvarkyklės.

Be to, IC tvarkyklės papildomai įtraukia apsaugą nuo per temperatūros, kad būtų užtikrinta didesnė šviesos diodų ir pačios vairuotojo grandinės gyvenimo trukmė.

Automobiliams skirti šviesos diodų tvarkyklės turi būti įrengtos klaidoms aptikti, pavyzdžiui, šviesos diodų atidarymui ar trumpam jungimui. Kai kurioms programoms taip pat gali prireikti tolesnių priemonių, kad būtų pašalintas aptiktas gedimas.

Pavyzdžiui, automobilio galinio žibinto modulis apima daugybę šviesos diodų stygų, skirtų apšviesti galinius ir stabdžių žibintus. Jei vienoje iš LED stygų aptinkamas sugedęs šviesos diodų gedimas, grandinė turi sugebėti išjungti visą šviesos diodų rinkinį, kad būtų išvengta tolesnio likusių šviesos diodų pažeidimo.

Šis veiksmas taip pat įspės vartotoją dėl nestandartinio sugedusio LED modulio, kurį reikia pašalinti ir išsiųsti gamintojui prižiūrėti.

Kūno valdymo moduliai (BCM)

Kad automobilio naudotojas galėtų įspėti apie diagnostiką, į priekį reikia išmaniojo aukšto šoninio jungiklio kėbulo valdymo modulis (BCM) užregistruoja gedimą per galinio žibinto elementą, kaip parodyta pirmiau pateiktame 12 paveiksle.

Tai pasakius, šviesos diodų gedimo nustatymas per BCM gali būti sudėtingas. Kartais galite naudoti tą patį BCM plokštės dizainą, kad aptiktumėte standartinę kaitinamųjų lempučių schemą arba šviesos diodų sistemą, nes šviesos diodų srovė paprastai yra žymiai mažesnė, palyginti su kaitrinių lempučių suvartojimu, atskiriant loginę šviesos diodų apkrovą.

Išvada

Atvirą ar atjungtą apkrovą gali būti sunku nustatyti, jei dabartinės diagnostikos diagnostika nėra tiksliai sukurta. Užuot turėjus atskirą atvirą LED eilutę, visos šviesos diodų eilučių išjungimas BCM tampa lengviau aptinkamas pranešant apie atvirą apkrovos situaciją. Sąlyga, užtikrinanti, kad jei vienas LED sugenda, tada All-LED sugedimo kriterijus gali būti įvykdytas norint išjungti visus šviesos diodus aptikus vieną šviesos diodo gedimą. Automobilio linijinės šviesos diodų tvarkyklės apima funkciją, leidžiančią sureaguoti iš vieno gedimo į visus gedimus ir nustatyti bendrą klaidų magistralę visose IC konfigūracijose.