Circuitos de driver de LED automotivo - Análise de projeto

Em carros ou automóveis, os LEDs se tornaram a escolha preferida de iluminação. Quer sejam as luzes traseiras ou os indicadores indicadores no cluster, conforme indicado na Figura 1 abaixo, todos incorporam LEDs hoje em dia. Suas dimensões compactas ajudam a versatilidade no design e oferecem a perspectiva de ser tão durável quanto a própria expectativa de vida do veículo.

Figura 1

Por outro lado, embora os LEDs sejam dispositivos altamente eficientes, eles são vulneráveis ​​à deterioração de parâmetros desregulados de tensão, corrente e temperatura, especialmente no severo ecossistema automotivo.

Para ser capaz de aumentar a eficiência e permanência da luz LED, Design de circuito de driver LED exige uma análise cuidadosa.

Os circuitos eletrônicos que são aplicados como drivers de LED basicamente fazem uso de transistores. Uma topologia de circuito padrão freqüentemente usada em drivers de LED é a topologia linear, onde o transistor é projetado para funcionar dentro da região linear.

Esta topologia nos dá a opção de fazer circuitos de driver através de transistores apenas ou usando ICs especializados com transistores integrados e recursos adicionais de aprimoramento de LED.

Em aplicações discretas, os transistores de junção bipolar (BJTs), que são produtos de commodities altamente acessíveis, tendem a ser os favoritos.

Apesar do fato de que os BJTs são simples de configurar do ponto de vista do circuito, grandes complicações podem ser encontradas ao criar uma solução de driver de LED total que atende a precisão de controle de corrente, dimensão de PCB, gerenciamento de calor e diagnóstico de falhas, que são alguns pré-requisitos importantes em todo toda a tensão de alimentação de trabalho e faixa de temperatura.

Além disso, como o quantidade de LEDs aumenta , o projeto do circuito usando estágios BJT discretos fica ainda mais sofisticado.

Comparado a peças discretas, aplicando Alternativas baseadas em IC parecem ser mais convenientes no que diz respeito ao layout do circuito, mas também aos procedimentos de projeto e avaliação.

Além disso, o remédio geral talvez seja ainda mais acessível.

Parâmetros para projetar drivers de LED automotivos

Portanto, ao projetar circuitos de driver de LED para um iluminação automotiva aplicação, é essencial contemplar os pontos focais do LED, avaliar alternativas de projeto de circuitos e fatores nas demandas do sistema.

Um LED é na verdade um diodo de junção tipo P tipo N (PN) que permite que a corrente se mova através dele apenas em uma única direção. A corrente começa a fluir assim que a tensão no LED atinge a tensão direta mínima (VF).

O nível de iluminação ou o brilho de um LED é determinado pela corrente direta (IF), enquanto a quantidade de corrente que um LED consome depende da voltagem aplicada ao LED.

Mesmo que o brilho do LED e a corrente direta IF estejam linearmente relacionados, mesmo um ligeiro aumento na tensão direta VF através do LED pode desencadear uma rápida escalada na entrada de corrente do LED.

LEDs com especificações de cores diferentes têm especificações de VF e IF diferentes devido a seus ingredientes semicondutores específicos (Figura 2). É necessário considerar as especificações de folha de dados de cada LED, especificamente ao aplicar LEDs de cores diferentes em um único circuito.

Figura 2

Por exemplo, ao desenvolver com iluminação vermelho-verde-azul (RGB) , um LED vermelho pode vir com uma classificação de tensão direta de cerca de 2 V, enquanto o mesmo para um LED azul e verde pode ter cerca de 3 a 4 V.

Considerando que você está operando esses LEDs a partir de uma única fonte de tensão comum, pode ser necessário um cálculo resistor limitador de corrente para cada um dos LEDs coloridos, para evitar a deterioração do LED.

Eficiência térmica e energética

Além da tensão de alimentação e dos parâmetros de corrente, a temperatura e a eficiência energética também exigem uma análise cuidadosa. Embora a maior parte da corrente aplicada em um LED seja convertida em luz LED, uma pequena quantidade de energia é transformada em calor na junção PN do dispositivo.

A temperatura gerada em uma junção de LED pode ser seriamente afetada por alguns parâmetros externos, como:

• pela temperatura atmosférica (TA),
• pela resistência térmica entre a junção do LED e o ar ambiente (RθJA),
• e pela dissipação de potência (PD).

A seguinte Equação 1 revela a especificação de dissipação de energia PD de um LED:

PD = VF × IF ------------ Eq # 1

Com a ajuda do acima, podemos derivar ainda mais a seguinte equação que calcula a temperatura de junção (TJ) de um LED:

TJ = TA + RθJA × PD ---------- Eq # 2

É essencial determinar o TJ não apenas sob condições normais de trabalho, mas também sob uma temperatura ambiente máxima absoluta TA do projeto, com relação às preocupações do pior cenário.

Conforme a temperatura da junção do LED TJ aumenta, sua eficiência de trabalho se deteriora. A corrente direta IF de um LED e a temperatura de junção TJ devem permanecer abaixo de suas classificações máximas absolutas, conforme classificado pelas planilhas de dados, a fim de proteger contra destruição (Figura 3).

Figura 3

Além dos LEDs, você também deve levar em consideração a eficiência de energia dos resistores e os elementos de acionamento, como BJTs e amplificadores operacionais (amplificadores operacionais), especificamente à medida que a quantidade de componentes discretos aumenta.

Eficiência de energia inadequada dos estágios do driver, o período de acendimento do LED e / ou a temperatura ambiente, todos esses fatores podem levar a um aumento na temperatura do dispositivo, influenciando a saída de corrente do driver BJT e reduzindo a queda de VF dos LEDs .

À medida que o aumento da temperatura reduz a queda de tensão direta dos LEDs, a taxa de consumo de corrente do LED aumenta levando a um aumento proporcional de dissipação de energia PD e temperatura, e isso causa uma redução ainda maior na queda de tensão direta VF dos LEDs.

Este ciclo de aumento contínuo da temperatura, também conhecido como 'fuga térmica', força os LEDs a funcionar acima de sua temperatura operacional ideal, causando rápida degradação e, em algum ponto, falha do dispositivo, devido a um nível elevado de consumo de FI .

Drivers de LED lineares

Operar LEDs linearmente por meio de transistores ou CIs é na verdade bastante conveniente. De todas as possibilidades, a abordagem mais simples para controlar um LED é normalmente conectá-lo à fonte de tensão de alimentação (VS).

Ter o resistor limitador de corrente correto restringe o consumo de corrente do dispositivo e fixa uma queda de tensão precisa para o LED. A seguinte Equação 3 pode ser usada para calcular o valor do resistor em série (RS):

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

Referindo-se à Figura 4, vemos que 3 LEDs são usados ​​em série, toda a queda de tensão VF nos 3 LEDs deve ser levada em consideração pelo cálculo de VF (a corrente direta IF do LED permanece constante).

Figura # 4

Embora essa possa ser a configuração mais simples do driver de LED, pode não ser prática em uma implementação na vida real.

Fontes de alimentação, principalmente baterias automotivas, são suscetíveis a flutuações de tensão.

Um pequeno aumento na entrada de alimentação faz com que o LED consuma maiores quantidades de corrente e, consequentemente, seja destruído.

Além disso, a dissipação excessiva de energia PD no resistor aumenta a temperatura do dispositivo, o que pode dar origem à fuga térmica.

Drivers de LED de corrente constante discreta para aplicação automotiva

Quando um recurso de corrente constante é usado, ele garante um layout confiável e eficiente em termos de energia. Uma vez que a técnica mais comum para operar um LED é através de uma chave liga e desliga, um transistor permite um fornecimento de corrente bem regulado.

Figura # 5

Referindo-se à Figura 5 acima, pode ser possível escolher um BJT ou um MOSFET, com base nas especificações de tensão e corrente da configuração do LED. Os transistores lidam facilmente com uma potência maior em comparação com um resistor, mas são suscetíveis a aumentos e quedas de tensão e variações de temperatura. Por exemplo, quando a tensão em torno de um BJT aumenta, sua corrente também aumenta proporcionalmente.

Para garantir estabilidade adicional, é possível personalizar esses circuitos BJT ou MOSFET para fornecer corrente constante apesar de haver desequilíbrios na tensão de alimentação.

Projetando Fonte de Corrente de LED

As Figuras 6 a 8 demonstram um punhado de ilustrações do circuito da fonte de corrente.

Na Figura 6, um diodo Zener gera uma tensão de saída estável na base do transistor.

O resistor limitador de corrente RZ garante uma corrente controlada para permitir que o diodo Zener funcione corretamente.

A saída do diodo Zener produz uma tensão constante, apesar das flutuações na tensão de alimentação.

A queda de tensão sobre o resistor emissor RE deve complementar a queda de tensão do diodo Zener, pois o transistor ajusta a corrente do coletor o que garante que a corrente pelos LEDs permaneça sempre constante.

Usando um feedback de amplificador operacional

Na Figura 7 abaixo, um circuito amplificador operacional com um loop de feedback é mostrado para fazer um circuito controlador de LED automotivo ideal. A conexão de feedback garante que a saída seja ajustada automaticamente para que o potencial desenvolvido em sua entrada negativa permaneça igual à sua entrada de referência positiva.

Um diodo Zener é fixado para gerar uma tensão de referência na entrada não inversora do amplificador operacional. Caso a corrente do LED exceda um valor predeterminado, ele desenvolve uma quantidade proporcional de voltagem através do resistor de detecção RS, que tenta ultrapassar o valor de referência zener.

Uma vez que isso faz com que a tensão na entrada inversora negativa do amplificador operacional exceda o valor zener de referência positiva, força a saída do amplificador operacional a DESLIGAR, o que, por sua vez, reduz a corrente do LED e também a tensão em RS.

Esta situação reverte novamente a saída do amplificador operacional para ligar o estado e ativa o LED, e esta ação de autoajuste do amplificador operacional continua infinitamente garantindo que a corrente do LED nunca exceda o nível não seguro calculado.

A Figura 8 acima ilustra mais um projeto baseado em feedback realizado com alguns BJTs. Aqui, a corrente flui por meio de R1, ligando o transistor Q1. A corrente continua viajando via R2, que fixa a quantidade correta de corrente através dos LEDs.

Caso a corrente do LED em R2 tente ultrapassar o valor predeterminado, a queda de tensão em R2 também aumenta proporcionalmente. No momento em que essa queda de tensão aumenta até a tensão base-para-emissor (Vbe) do transistor Q2, Q2 começa a ligar.

Sendo LIGADO, Q2 agora começa a consumir corrente através de R1, forçando Q1 a começar a desligar e a condição continua auto-ajustando a corrente através do LED, garantindo que a corrente do LED nunca ultrapasse o nível inseguro.

Esta limitador de corrente transistorizado com loop de feedback garante uma alimentação de corrente constante para os LEDs de acordo com o valor calculado de R2. No exemplo acima, os BJTs são implementados, mas, no entanto, também é possível usar MOSFETs neste circuito, para aplicações de corrente mais alta.

Drivers de LED de corrente constante usando circuitos integrados

Esses blocos de construção essenciais baseados em transistor podem ser facilmente replicados para operar várias cadeias de LED, conforme exibido na Figura 9.

Controlando um grupo de Cordas de LED faz com que a contagem de componentes aumente rapidamente, ocupando mais espaço no PCB e consumindo mais pinos de entrada / saída de uso geral (GPIO).

Além disso, esses projetos são basicamente sem controle de brilho e considerações de diagnóstico de falhas, que são necessidades essenciais para a maioria das aplicações de LED de energia.

Para incluir especificações como controle de brilho e diagnóstico de falhas, é necessário um número adicional de componentes discretos e procedimentos de análise de projeto adicionais.

Projetos de LED que incluem maior número de LEDs , faz com que projetos de circuitos discretos incluam um número maior de peças, aumentando a complexidade do circuito.

A fim de agilizar o processo de design, é considerado mais eficaz aplicar CIs especializados para funcionar como drivers de LED . Muitos dos componentes discretos, conforme indicado na Figura 9, poderiam ser facilitados com um driver de LED baseado em IC, conforme revelado na Figura 10.

Figura # 10

Os CIs de driver de LED são especialmente projetados para lidar com especificações críticas de tensão, corrente e temperatura de LEDs e também para minimizar a contagem de peças e as dimensões da placa.

Além disso, os CIs de driver de LED podem ter recursos adicionais para controle de brilho e diagnóstico, incluindo proteção contra superaquecimento. Dito isso, pode ser possível alcançar os recursos avançados acima usando designs baseados em BJT discretos também, mas os CIs parecem ser uma alternativa mais fácil, comparativamente.

Desafios em aplicações automotivas de LED

Em muitas implementações de LED automotivo, o controle de brilho se torna uma necessidade essencial.

Visto que o ajuste da corrente direta IF através do LED ajusta o nível de brilho proporcionalmente, designs analógicos podem ser empregados para atingir os resultados. Um método digital de controle de brilho do LED é por meio de PWM ou modulação por largura de pulso. Os detalhes a seguir analisam os dois conceitos e mostram como eles podem ser aplicados para aplicações automotivas de LED

Diferença entre o controle de brilho do LED analógico e PWM

A Figura 11 avalia a principal diferença entre os métodos analógicos e digitais de controle do brilho do LED.

Figura # 11

Ao usar o controle de brilho do LED analógico, a iluminação do LED é alterada pela magnitude da corrente de fluxo, maior corrente resulta em aumento do brilho e vice-versa.

Mas, a qualidade do escurecimento analógico ou controle de brilho não é satisfatória, especificamente em faixas de brilho mais baixas. O escurecimento analógico geralmente não é apropriado para aplicações de LED dependentes de cor, como iluminação RGB ou indicadores de status, uma vez que a variação de IF tende a afetar a saída de cor do LED, causando baixa resolução de cor dos LEDs RGB.

Em contraste, Dimmers de LED baseados em PWM não varie a corrente direta IF do LED, em vez disso, controla a intensidade variando a taxa de comutação ON / OFF dos LEDs. Então, o tempo médio de LIGADO atual do LED decide o brilho proporcional no LED. Também é chamado de ciclo de trabalho (a proporção da largura de pulso sobre o intervalo de pulso do PWM). Através do PWM, um ciclo de trabalho mais alto resulta em uma corrente média mais alta através do LED causando um brilho mais alto e vice-versa.

Devido ao fato de que você é capaz de ajustar o ciclo de trabalho para várias faixas de iluminação, o escurecimento PWM ajuda a alcançar uma proporção de escurecimento muito mais ampla em comparação com o escurecimento analógico.

Embora o PWM garanta uma saída de controle de brilho aprimorada, ele requer mais análises de design. A frequência PWM tem que ser muito mais alta do que nossa visão pode perceber, caso contrário, os LEDs podem acabar aparecendo como se estivessem piscando. Além disso, os circuitos dimmer PWM são notórios por gerar interferência eletromagnética (EMI).

Interferência de drivers de LED

Um circuito acionador de LED automotivo construído com controle EMI inadequado pode afetar adversamente outros softwares eletrônicos vizinhos, como a geração de ruído de zumbido em rádio ou equipamento de áudio sensível semelhante.

Os CIs de driver de LED podem certamente fornecer recursos de dimerização analógica e PWM junto com funções suplementares para lidar com EMI, como taxa de variação programável ou deslocamento de fase do canal de saída ou atraso de grupo.

Diagnóstico de LED e relatório de falha

O diagnóstico de LED, que inclui superaquecimento, curto-circuito ou circuito aberto, é um pré-requisito de design popular, especialmente quando a aplicação exige operação de vários LEDs. Minimizando o risco de mau funcionamento do LED, os drivers de LED apresentam corrente de saída regulada com maior precisão do que as topologias de driver discreto baseadas em transistor.

Junto com isso, os drivers IC incorporam proteção contra superaquecimento para garantir maior expectativa de vida operacional dos LEDs e do próprio circuito do driver.

Os drivers de LED projetados para automóveis devem ser equipados para detectar erros, por exemplo, um LED aberto ou curto-circuito. Alguns aplicativos também podem exigir medidas de acompanhamento para combater uma falha detectada.

Como exemplo, um módulo de luz traseira de um carro inclui uma série de cadeias de LEDs para iluminar as luzes traseiras e de freio. No caso de uma falha de LED estourado ser detectada em uma das cadeias de LEDs, o circuito deve ser capaz de desligar toda a gama de LEDs, de modo a garantir que mais danos aos LEDs restantes possam ser evitados.

A ação também alertaria o usuário sobre o módulo de LED degradado não padrão que precisa ser desinstalado e enviado para manutenção ao fabricante.

Módulos de controle do corpo (BCM)

Para ser capaz de fornecer um alerta de diagnóstico para o usuário do carro, um interruptor inteligente do lado alto no módulo de controle do corpo (BCM) registra uma falha através do elemento de luz traseira, conforme ilustrado na Figura 12 acima.

Dito isso, a identificação de uma falha de LED através do BCM pode ser complicada. Ocasionalmente, você pode usar o mesmo projeto de placa BCM para detectar um circuito baseado em lâmpada incandescente padrão ou um sistema baseado em LED porque a corrente do LED tende a ser substancialmente menor em oposição ao consumo de lâmpada incandescente, diferenciando entre uma carga lógica de LED.

Conclusão

Uma carga aberta ou desconectada pode ser difícil de identificar se os diagnósticos de detecção de corrente não forem projetados com precisão. Em vez de ter uma string de LED individual aberta, desligar toda a string de LEDs torna-se mais facilmente detectável para o BCM para relatar uma situação de carga aberta. Uma condição que garante que se um LED falhar, o critério de falha de todos os LEDs poderá ser executado para desligar todos os LEDs ao detectar uma única falha de LED. Os drivers de LED lineares automotivos incluem o recurso que permite uma reação de uma falha para todas as falhas e pode identificar um barramento de erro comum em várias configurações de ICs.