Circuitos de driver de LED automotivos – Análise de projeto

Em carros ou automóveis, os LEDs se tornaram a opção de iluminação preferida. Sejam as luzes traseiras traseiras ou indicadores indicadores no cluster, como mostra a Figura 1 abaixo, todos eles incorporam LEDs hoje. Suas dimensões compactas ajudam a versatilidade no design e oferecem a possibilidade de serem tão duráveis ​​quanto a expectativa de vida do veículo.

figura 1

Por outro lado, apesar do fato de os LEDs serem dispositivos altamente eficientes, eles são vulneráveis ​​à deterioração de parâmetros não regulamentados de tensão, corrente e temperatura, principalmente no severo ecossistema automotivo.

Para melhorar a eficiência e a permanência da luz LED, o design do circuito do driver de LED requer uma análise cuidadosa.


Os circuitos eletrônicos aplicados como drivers de LED usam principalmente transistores. Uma topologia de circuito padrão frequentemente usada em drivers de LED é a topologia linear, na qual o transistor é projetado para operar na região linear.

Essa topologia nos dá a opção de fazer circuitos controladores apenas através de transistores ou usar circuitos integrados especializados com transistores integrados e recursos adicionais de aprimoramento de LED.

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

Apesar de os BJTs serem fáceis de configurar do ponto de vista do circuito, grandes complicações podem ser encontradas ao criar uma solução total de driver de LED que atenda à precisão do controle atual, dimensão da placa de circuito impresso, gerenciamento do diagnóstico de calor e falha, que são alguns pré-requisitos importantes para todas as faixas de tensão e temperatura de alimentação de trabalho.

Além disso, à medida que o número de LEDs aumenta, o projeto do circuito usando estágios BJT discretos se torna ainda mais sofisticado.

Comparado a peças discretas, a aplicação de alternativas baseadas em IC parece ser mais conveniente em relação ao layout do circuito, mas além dos procedimentos de design 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 uma aplicação de iluminação automotiva, é essencial contemplar os pontos focais de LED, avaliar alternativas de design de circuito e fatores nas demandas do sistema.


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

O nível de iluminação ou o brilho de um LED é determinado por corrente contínua (IF); enquanto a quantidade de corrente que um LED consome depende da tensão aplicada no LED.

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

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

Figura 2

Por exemplo, quando desenvolvido com iluminação vermelho-verde-azul (RGB), um LED vermelho pode vir com uma voltagem direta em torno de 2V, enquanto o mesmo para um LED azul e verde pode estar em torno de 3 a 4 V.

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

Eficiência térmica e energética.

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

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

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

A equação 1 abaixo revela a especificação de dissipação de energia PD de um LED:

PD = VF × SE ———— Eq # 1


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

TJ = TA + RθJA × PD ———- Eq # 2

É essencial determinar o TJ não apenas em condições normais de trabalho, mas também sob uma temperatura ambiente máxima absoluta TA do projeto, com relação aos piores casos.

À medida que a temperatura da junção do LED TJ aumenta, sua eficiência de trabalho se deteriora. A corrente contínua IF de um LED e a temperatura da junção TJ devem ser mantidas abaixo de suas classificações máximas absolutas, de acordo com as especificações das folhas de dados, para proteger contra destruição (Figura 3).

Figura 3

Além dos LEDs, você também deve levar em consideração a eficiência energética de resistores e elementos de acionamento, como BJTs e op amps (op amps), especificamente à medida que o número de componentes discretos aumenta.

A eficiência energética inadequada dos estágios do controlador, o LED no período e / ou a temperatura ambiente, todos esses fatores podem levar a um aumento na temperatura do dispositivo, influenciar a saída de corrente do controlador BJT e reduzir a queda VF dos LEDs.

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

Esse ciclo de aumento contínuo da temperatura, também conhecido como “fuga térmica”, força os LEDs a operar acima da temperatura ideal de operação, causando rápida degradação e, em algum momento, falha do dispositivo devido a um nível mais alto de consumo de FI.

Drivers de LED lineares

Executar LEDs linearmente através de transistores ou circuitos integrados é realmente bastante conveniente. De todas as possibilidades, a abordagem mais simples para controlar um LED é geralmente conectá-lo diretamente através da fonte de tensão de alimentação (VS).

Ter o resistor limitador de corrente correto restringe o consumo de corrente do dispositivo e define 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 / SE ———- Eq # 3

Referindo-se à Figura # 4, vemos que 3 LEDs são usados ​​em série, toda a queda de tensão VF entre os 3 LEDs deve ser levada em consideração no cálculo da VF (a corrente direta IF do LED permanece constante).

Figura 4

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

As fontes de alimentação, principalmente as de automóveis, são suscetíveis a flutuações de tensão.

Um pequeno aumento na entrada de suprimento ativa o LED para consumir grandes quantidades de corrente e é consequentemente destruído.

Além disso, a dissipação de energia excessiva PD no resistor aumenta a temperatura do dispositivo, o que pode levar a vazamentos térmicos.

Drivers discretos de corrente constante LED para aplicações automotivas

Quando uma característica de corrente constante é usada, é garantido um design aprimorado, eficiente e confiável. Como a técnica mais comum para operar um LED é ligando e desligando, um transistor permite uma fonte de alimentação bem regulada.

Figura 5

Referindo-se à Figura 5 acima, é possível optar por um BJT ou MOSFET, dependendo das especificações de tensão e corrente da configuração do LED. Os transistores lidam facilmente com maior potência em comparação com um resistor, mas são suscetíveis a altos e baixos de tensão e variações de temperatura. Por exemplo, quando a tensão ao redor de um BJT aumenta, sua corrente também aumenta proporcionalmente.

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

Projeto de fonte de corrente LED

As figuras 6 a 8 mostram algumas ilustrações dos circuitos 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 através da resistência do emissor RE deve complementar a queda de tensão do diodo Zener, portanto, o transistor ajusta a corrente do coletor; o que garante que a corrente através dos LEDs permaneça sempre constante.

Usando um feedback do amplificador operacional

Na Figura 7 abaixo, um circuito de amplificador operacional com um circuito de realimentação é mostrado para criar um circuito de driver 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 o mesmo que 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 dos LEDs exceda um valor predeterminado, ele desenvolve uma quantidade proporcional de tensão através do resistor sensor RS, que tenta exceder o valor de referência zener.

Como isso faz com que a tensão na entrada negativa de inversão operacional exceda o valor zener de referência positivo, força a saída do ampère operacional a desligar, o que por sua vez reduz a corrente do LED e também a tensão do RS.

Essa situação novamente reverte a saída do amplificador operacional para o estado LIGADO e ativa o LED, e essa ação de ajuste automático do amplificador operacional continua infinitamente, garantindo que a corrente do LED nunca exceda o nível inseguro calculado.

A Figura 8 acima ilustra um projeto adicional baseado em feedback feito com um par de BJTs. Aqui, a corrente flui através de R1, conectando o transistor Q1. A corrente continua a viajar pelo R2, que define a quantidade correta de corrente através dos LEDs.

No caso de a corrente desse LED através de R2 tentar exceder o valor predeterminado, a queda de tensão em R2 também aumenta proporcionalmente. À medida que essa queda de tensão aumenta para a tensão de base para emissor (Vbe) do transistor Q2, Q2 começa a LIGAR.

Ao ligar, o Q2 agora começa a extrair corrente através de R1, forçando Q1 a começar a desligar e a condição continua a ajustar automaticamente a corrente através do LED, garantindo que a corrente do LED nunca exceda o nível inseguro.

Este limitador de corrente transistorizado com circuito de realimentação garante um fornecimento de corrente constante aos LEDs de acordo com o valor calculado de R2. No exemplo acima, os BJTs são implementados, mas ainda é possível usar MOSFETs neste circuito, no entanto, para aplicações de corrente mais alta.

Drivers de LED de corrente constante usando circuitos integrados

Esses componentes essenciais baseados em transistor podem ser facilmente replicados para operar várias seqüências de LEDs, como mostra a Figura 9.

Controlar um grupo de seqüências de LEDs faz com que a contagem de componentes aumente rapidamente, ocupando mais espaço da PCB e consumindo mais pinos de entrada / saída GPIO.

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

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

Os projetos de LEDs que incluem um número maior de LEDs fazem com que os projetos de circuitos discretos incluam um número maior de peças, aumentando a complexidade do circuito.

Para otimizar o processo de design, é considerado mais eficaz aplicar circuitos integrados especializados para funcionar como drivers de LED. Muitos dos componentes discretos, como indicado na Figura 9, podem ser fornecidos com um driver de LED baseado em IC, conforme revelado na Figura 10.

Figura # 10

Os CIs de driver de LED são projetados especialmente para atender às especificações críticas de tensão, corrente e temperatura dos LEDs, além de minimizar a contagem de peças e as dimensões da placa.

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

Desafios nas aplicações automotivas de LED

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

Como o ajuste da corrente direta IF através do LED ajusta o nível de brilho proporcionalmente, projetos analógicos podem ser usados ​​para obter os resultados. Um método digital de controle de brilho do LED é através da modulação por largura de pulso ou PWM. Os detalhes a seguir discutem os dois conceitos e mostram como eles podem ser aplicados às aplicações automotivas de LED.

Diferença entre o controle de brilho do LED analógico e o PWM

A Figura 11 avalia a principal diferença entre os métodos analógico e digital para controlar o brilho do LED.

Figura # 11

Ao usar o controle de brilho do LED analógico, a iluminação do LED é alterada pela magnitude da corrente que flui; Os maiores resultados atuais aumentam o brilho e vice-versa.

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

Por outro lado, os dimmers de LED baseados em PWM não variam a corrente direta do LED IF, mas controlam a intensidade variando a velocidade de comutação LIGADA / DESLIGADA dos LEDs. Em seguida, o tempo médio de ativação do LED atual decide o brilho proporcional no LED. Também chamado de ciclo de serviço (a razão entre a largura do pulso e o intervalo de pulso PWM). Através do PWM, um ciclo de trabalho mais alto resulta em uma corrente média mais alta através do LED, causando maior brilho e vice-versa.

Devido ao fato de que você pode ajustar o ciclo de trabalho para várias faixas de iluminação, o escurecimento PWM ajuda a obter uma taxa de escurecimento muito maior em comparação ao escurecimento analógico.

Embora o PWM garanta uma saída aprimorada de controle de brilho, ele precisa de mais análises de projeto. A frequência PWM deve ser muito maior do que a nossa visão pode perceber, caso contrário, os LEDs podem aparecer como se estivessem piscando. Além disso, sabe-se que os circuitos de escurecimento PWM geram interferência eletromagnética (EMI).

Interferência de driver de LED

Um circuito de LED automotivo construído com controle EMI inadequado pode afetar adversamente outros softwares eletrônicos vizinhos, como zumbido no rádio ou equipamento de áudio sensível semelhante.

Os CIs de driver de LED certamente podem fornecer funções de escurecimento analógico e PWM, além de funções adicionais para lidar com EMI, como velocidade de resposta programável ou alteração de fase do canal de saída ou atraso do grupo.

Diagnóstico por LED e relatório de falhas

O diagnóstico de LED que inclui superaquecimento, curto-circuito ou circuito aberto é um pré-requisito popular do design, principalmente quando o aplicativo requer a operação de vários LEDs. Ao minimizar o risco de mau funcionamento do LED, os drivers de LED apresentam uma corrente de saída regulada com mais precisão do que as topologias discretas de driver baseadas em transistor.

Junto com isso, os controladores IC também incorporam proteção contra temperatura excessiva para garantir uma expectativa de vida mais longa dos LEDs e do circuito do próprio controlador.

Os drivers de LED projetados para automóveis devem estar equipados para detectar erros, por exemplo, um LED aberto ou em curto. Alguns aplicativos também podem precisar de ações de acompanhamento para combater uma falha detectada.

Como exemplo, um módulo de lanterna traseira de carro inclui uma série de LEDs para iluminar as lanternas traseiras e as luzes de freio. No caso de uma falha de LED quebrada ser detectada em uma das seqüências de LEDs, o circuito deve poder desligar todo o conjunto de LEDs, para garantir que danos adicionais aos LEDs restantes possam ser evitados.

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

Módulos de Controle Corporal (BCM)

Para fornecer um alerta de diagnóstico ao usuário do carro, um interruptor inteligente do lado superior módulo de controle do corpo (BCM) registra uma falha através do elemento de luz traseira, como ilustrado na Figura 12 acima.

Dito isto, identificar uma falha de LED através do BCM pode ser complicado. Ocasionalmente, você pode usar o mesmo design da placa BCM para detectar um circuito baseado em lâmpada incandescente padrão ou sistema baseado em LED; Como a corrente do LED tende a ser substancialmente menor em comparação ao consumo de lâmpadas incandescentes, diferenciando uma carga lógica do LED.

conclusão

Uma carga aberta ou desconectada pode ser difícil de identificar se os diagnósticos atuais de detecção não foram projetados com precisão. Em vez de ter uma única cadeia de LEDs aberta, o desligamento de toda a cadeia de cadeias de LED se torna mais facilmente detectável pelo 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 possa ser executado para desligar todos os LEDs, detectando uma única falha do LED. Os drivers de LED lineares automotivos incluem o recurso que permite uma única reação de falha e todos podem identificar um barramento de erro comum em várias configurações de IC.



FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

Pode conter erros de tradução

Olá, se tiver algum erro de tradução (AUTO), falta de link para download etc…

Veja na FONTE até ser revisado o post.

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