Mạch điều khiển đèn LED ô tô - Phân tích thiết kế

Trong xe hơi hoặc ô tô, đèn LED đã trở thành sự lựa chọn chiếu sáng ưu tiên. Cho dù đó là đèn hậu phía sau hay các chỉ báo thông báo trong cụm như được chỉ ra trong Hình 1 bên dưới, tất cả đều tích hợp đèn LED ngày nay. Kích thước nhỏ gọn của chúng giúp linh hoạt trong thiết kế và mang lại triển vọng bền như tuổi thọ của chính chiếc xe.

Hình 1

Mặt khác, mặc dù đèn LED là thiết bị hiệu quả cao, chúng dễ bị suy giảm do các thông số điện áp, dòng điện và nhiệt độ không được kiểm soát, đặc biệt là trong hệ sinh thái ô tô khắc nghiệt.

Để có thể nâng cao hiệu quả và tính lâu dài của ánh sáng LED, Thiết kế mạch điều khiển LED yêu cầu phân tích thận trọng.

Các mạch điện tử được sử dụng làm trình điều khiển LED về cơ bản sử dụng các bóng bán dẫn. Một cấu trúc liên kết mạch tiêu chuẩn thường được sử dụng trong trình điều khiển LED là cấu trúc liên kết tuyến tính, trong đó bóng bán dẫn được thiết kế để hoạt động bên trong vùng tuyến tính.

Cấu trúc liên kết này cung cấp cho chúng tôi tùy chọn tạo mạch điều khiển chỉ thông qua bóng bán dẫn hoặc sử dụng các IC chuyên dụng có tích hợp bóng bán dẫn và các tính năng tăng cường đèn LED bổ sung.

Trong các ứng dụng rời rạc, bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực (BJT), là sản phẩm hàng hóa dễ tiếp cận, có xu hướng được yêu thích.

Mặc dù thực tế là các BJT rất đơn giản để cấu hình từ quan điểm mạch, có thể tìm thấy các phức tạp lớn trong khi tạo ra một giải pháp trình điều khiển LED tổng thể đáp ứng độ chính xác của điều khiển hiện tại, kích thước PCB, quản lý nhiệt và chẩn đoán lỗi, đây là một vài điều kiện tiên quyết quan trọng xuyên suốt toàn bộ dải nhiệt độ và điện áp cung cấp làm việc.

Hơn nữa, như số lượng đèn LED tăng lên , thiết kế mạch sử dụng các giai đoạn BJT rời rạc thậm chí còn phức tạp hơn.

So với các bộ phận rời rạc, áp dụng Các lựa chọn thay thế dựa trên vi mạch dường như thuận tiện hơn đối với việc bố trí mạch, nhưng bổ sung là các thủ tục thiết kế và đánh giá.

Bên cạnh đó, phương pháp khắc phục chung có lẽ thậm chí còn phải chăng hơn.

Các thông số để thiết kế trình điều khiển đèn LED ô tô

Do đó, khi thiết kế mạch điều khiển LED cho một ánh sáng ô tô ứng dụng, điều cần thiết là phải xem xét các tiêu điểm LED, đánh giá các lựa chọn thay thế thiết kế mạch và các yếu tố trong nhu cầu hệ thống.

Đèn LED thực chất là một diode tiếp giáp kiểu N (PN) loại P cho phép dòng điện chỉ di chuyển qua nó theo một hướng duy nhất. Dòng điện bắt đầu chạy ngay khi điện áp trên đèn LED đạt đến điện áp thuận tối thiểu (VF).

Mức độ chiếu sáng hoặc độ sáng của đèn LED được xác định bởi dòng điện thuận (IF) trong khi dòng điện mà đèn LED tiêu thụ phụ thuộc vào điện áp đặt trên đèn LED.

Mặc dù độ sáng của đèn LED và dòng chuyển tiếp IF có liên quan tuyến tính với nhau, ngay cả sự gia tăng nhẹ điện áp chuyển tiếp VF trên đèn LED cũng có thể gây ra sự leo thang nhanh chóng trong việc cung cấp dòng điện của đèn LED.

Đèn LED với các thông số kỹ thuật màu khác nhau có thông số kỹ thuật VF và IF khác nhau do các thành phần bán dẫn cụ thể của chúng (Hình 2). Cần phải xem xét các thông số kỹ thuật của mỗi đèn LED, cụ thể là khi áp dụng các đèn LED màu khác nhau trong một mạch duy nhất.

Hình 2

Ví dụ: khi phát triển với ánh sáng đỏ-lục-lam (RGB) , đèn LED màu đỏ có thể đi kèm với định mức điện áp Chuyển tiếp khoảng 2 V, trong khi tương tự đối với đèn LED màu xanh lam và xanh lục có thể vào khoảng 3 đến 4 V.

Xem xét rằng bạn đang vận hành các đèn LED này từ một nguồn điện áp chung, bạn có thể cần một điện trở hạn chế dòng điện cho mỗi đèn LED màu, để tránh LED bị giảm chất lượng.

Hiệu suất nhiệt và điện

Ngoài các thông số điện áp và dòng điện cung cấp, nhiệt độ và hiệu suất điện năng cũng cần phân tích cẩn thận. Mặc dù, hầu hết dòng điện chạy qua đèn LED được chuyển thành ánh sáng LED, một lượng nhỏ công suất được chuyển thành nhiệt trong đường giao nhau PN của thiết bị.

Nhiệt độ được tạo ra qua điểm nối LED có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi một số thông số bên ngoài như:

• theo nhiệt độ khí quyển (TA),
• bằng điện trở nhiệt giữa điểm nối LED và không khí xung quanh (RθJA),
• và bởi sự tiêu tán công suất (PD).

Phương trình 1 sau đây tiết lộ thông số kỹ thuật tiêu tán công suất PD của đèn LED:

PD = VF × IF ------------ Phương trình # 1

Với sự trợ giúp của những điều trên, chúng ta có thể suy ra thêm phương trình sau để tính nhiệt độ tiếp giáp (TJ) của đèn LED:

TJ = TA + RθJA × PD ---------- Phương trình # 2

Điều cần thiết là phải xác định TJ không chỉ trong điều kiện làm việc bình thường mà còn dưới nhiệt độ môi trường tối đa tuyệt đối TA của thiết kế, liên quan đến các mối quan tâm trong trường hợp xấu nhất.

Khi nhiệt độ tiếp giáp LED TJ tăng lên, hiệu quả làm việc của nó sẽ giảm đi. Dòng điện thuận IF và nhiệt độ tiếp giáp TJ của đèn LED phải ở dưới mức xếp hạng tối đa tuyệt đối của chúng, được phân loại bởi bảng dữ liệu, để bảo vệ khỏi bị phá hủy (Hình 3).

Hình # 3

Bên cạnh đèn LED, bạn cũng nên tính đến hiệu suất năng lượng của điện trở và các yếu tố dẫn động như BJT và bộ khuếch đại hoạt động (op amps), cụ thể là khi số lượng các thành phần rời rạc tăng lên.

Hiệu suất năng lượng không đủ của các giai đoạn trình điều khiển, khoảng thời gian bật đèn LED và / hoặc nhiệt độ môi trường xung quanh tất cả các yếu tố này có thể dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ của thiết bị, ảnh hưởng đến đầu ra hiện tại của trình điều khiển BJT và giảm VF của đèn LED .

Khi nhiệt độ tăng lên làm giảm điện áp chuyển tiếp của đèn LED, tốc độ tiêu thụ hiện tại của đèn LED tăng lên dẫn đến PD và nhiệt độ tiêu tán công suất tăng tương ứng, và điều này làm giảm thêm VF giảm điện áp phía trước của đèn LED.

Chu kỳ tăng nhiệt độ liên tục này, còn được gọi là “sự chạy trốn nhiệt”, buộc các đèn LED hoạt động trên nhiệt độ hoạt động tối ưu của chúng, gây ra sự xuống cấp nhanh chóng và tại một số điểm hỏng hóc của thiết bị, do mức tiêu thụ IF tăng lên. .

Trình điều khiển LED tuyến tính

Hoạt động tuyến tính của đèn LED thông qua bóng bán dẫn hoặc IC thực sự khá thuận tiện. Trong tất cả các khả năng, cách tiếp cận đơn giản nhất để điều khiển đèn LED thường là kết nối nó ngay trên nguồn điện áp cung cấp (VS).

Có điện trở hạn chế dòng điện phù hợp hạn chế dòng điện của thiết bị và khắc phục sự cố sụt áp chính xác cho đèn LED. Công thức 3 sau đây có thể được sử dụng để tính ra giá trị của điện trở nối tiếp (RS):

RS = VS - VF / IF ---------- Phương trình # 3

Tham khảo Hình # 4, chúng ta thấy rằng 3 đèn LED được sử dụng nối tiếp, toàn bộ điện áp giảm VF trên 3 đèn LED nên được xem xét bằng tính toán VF (dòng điện thuận IF của đèn LED không đổi.)

Hinh 4

Mặc dù đây có thể là cấu hình trình điều khiển LED đơn giản nhất, nhưng nó có thể không thực tế trong việc triển khai thực tế.

Nguồn điện, đặc biệt là pin ô tô, dễ bị dao động điện áp.

Sự gia tăng nhỏ trong đầu vào nguồn cung cấp sẽ kích hoạt đèn LED hút lượng dòng điện cao hơn và do đó bị phá hủy.

Hơn nữa, PD tản nhiệt quá mức trong điện trở sẽ làm tăng nhiệt độ của thiết bị, có thể làm phát sinh hiện tượng thoát nhiệt.

Trình điều khiển LED liên tục rời rạc cho ứng dụng ô tô

Khi sử dụng tính năng dòng điện không đổi, nó đảm bảo bố trí đáng tin cậy và tiết kiệm điện năng. Vì kỹ thuật phổ biến nhất để vận hành đèn LED là thông qua chuyển mạch bật và tắt, bóng bán dẫn cho phép cung cấp dòng điện được điều chỉnh tốt.

Hình # 5

Tham khảo Hình 5 ở trên, có thể sử dụng BJT hoặc MOSFET, dựa trên thông số kỹ thuật về điện áp và dòng điện của cấu hình LED. Các bóng bán dẫn dễ dàng xử lý công suất lớn hơn so với điện trở, nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi sự lên xuống của điện áp và sự thay đổi nhiệt độ. Ví dụ, khi điện áp xung quanh một BJT tăng, dòng điện của nó cũng tăng theo tỷ lệ thuận.

Để đảm bảo sự ổn định bổ sung, có thể tùy chỉnh các mạch BJT hoặc MOSFET này để cung cấp dòng điện không đổi mặc dù có sự mất cân bằng trong điện áp cung cấp.

Thiết kế nguồn hiện tại LED

Hình 6 đến Hình 8 minh họa một số hình minh họa mạch nguồn hiện tại.

Trong hình 6, một diode Zener tạo ra điện áp đầu ra ổn định vào đế của bóng bán dẫn.

Điện trở giới hạn dòng điện RZ đảm bảo dòng điện được kiểm soát để cho phép diode Zener hoạt động chính xác.

Đầu ra diode Zener tạo ra điện áp không đổi bất chấp sự dao động của điện áp nguồn.

Sự sụt giảm điện áp trên điện trở phát RE nên bổ sung cho sự sụt giảm điện áp của điốt Zener, do đó bóng bán dẫn điều chỉnh dòng điện góp để đảm bảo rằng dòng điện qua các đèn LED luôn không đổi.

Sử dụng phản hồi Op Amp

Trong hình 7 bên dưới, một mạch op amp với một vòng phản hồi được hiển thị để tạo ra một mạch điều khiển đèn LED ô tô lý tưởng. Kết nối phản hồi đảm bảo rằng đầu ra được tự động điều chỉnh để tiềm năng phát triển ở đầu vào âm của nó vẫn bằng với đầu vào tham chiếu tích cực của nó.

Một diode Zener được kẹp để tạo ra điện áp tham chiếu tại đầu vào không đảo ngược của op amp. Trong trường hợp dòng điện của đèn LED vượt quá giá trị xác định trước, nó phát triển một lượng điện áp tương ứng trên điện trở cảm giác RS, cố gắng vượt qua giá trị tham chiếu zener.

Vì điều này làm cho điện áp ở đầu vào nghịch đảo âm của amp op vượt quá giá trị zener tham chiếu dương, buộc đầu ra op amp chuyển TẮT, do đó làm giảm dòng điện LED và cả điện áp trên RS.

Tình huống này lại hoàn nguyên đầu ra op amp sang trạng thái BẬT và kích hoạt đèn LED, và hành động tự điều chỉnh này của amp op tiếp tục vô hạn đảm bảo rằng dòng điện LED không bao giờ vượt quá mức không an toàn đã tính toán.

Hình 8 ở trên minh họa thêm một thiết kế dựa trên phản hồi được thực hiện bằng cách sử dụng một vài BJT. Ở đây, dòng điện chạy qua R1, chuyển đổi BẬT bóng bán dẫn Q1. Dòng điện tiếp tục di chuyển qua R2, cố định lượng dòng điện chính xác qua các đèn LED.

Trong trường hợp dòng điện LED này qua R2 cố gắng vượt quá giá trị định trước, điện áp giảm trên R2 cũng tăng theo tỷ lệ thuận. Thời điểm điện áp giảm này tăng lên đến điện áp gốc-phát (Vbe) của bóng bán dẫn Q2, Q2 bắt đầu BẬT.

Đang BẬT Q2 bây giờ bắt đầu vẽ dòng điện qua R1, buộc Q1 bắt đầu tắt và điều kiện tiếp tục tự điều chỉnh dòng điện qua đèn LED đảm bảo dòng điện LED không bao giờ vượt quá mức không an toàn ..

Điều này bộ giới hạn dòng điện transistorized với vòng phản hồi đảm bảo cung cấp dòng điện không đổi cho các đèn LED theo giá trị tính toán của R2. Trong ví dụ trên, BJT được thực hiện nhưng tuy nhiên, việc sử dụng MOSFET trong mạch này cũng khả thi cho các ứng dụng hiện tại cao hơn.

Trình điều khiển LED hiện tại không đổi sử dụng mạch tích hợp

Các khối xây dựng dựa trên bóng bán dẫn thiết yếu này, có thể dễ dàng sao chép để vận hành một số chuỗi LED, như được hiển thị trong Hình 9.

Kiểm soát một nhóm Dây LED nhanh chóng làm cho số lượng thành phần tăng lên, chiếm không gian PCB cao hơn và tiêu thụ nhiều chân đầu vào / đầu ra mục đích chung (GPIO) hơn.

Hơn nữa, những thiết kế như vậy về cơ bản không có sự cân nhắc về kiểm soát độ sáng và chẩn đoán lỗi, vốn là những nhu cầu thiết yếu đối với hầu hết các ứng dụng LED công suất.

Để bao gồm các thông số kỹ thuật như kiểm soát độ sáng và chẩn đoán lỗi, yêu cầu thêm số lượng các thành phần rời rạc và các quy trình phân tích thiết kế bổ sung.

Các thiết kế LED bao gồm số lượng đèn LED cao hơn , khiến các thiết kế mạch rời rạc bao gồm số lượng bộ phận cao hơn, làm tăng độ phức tạp của mạch.

Để hợp lý hóa quá trình thiết kế, nó được coi là hiệu quả nhất để áp dụng IC chuyên dụng để hoạt động như trình điều khiển đèn LED . Nhiều thành phần rời rạc như được chỉ ra trong Hình 9 có thể được thực hiện dễ dàng hơn với trình điều khiển LED dựa trên IC như được trình bày trong Hình 10.

Hình # 10

IC điều khiển LED được thiết kế đặc biệt để giải quyết các thông số kỹ thuật về điện áp, dòng điện và nhiệt độ quan trọng của đèn LED, đồng thời cũng để giảm thiểu số lượng bộ phận và kích thước bảng mạch.

Hơn nữa, IC trình điều khiển LED có thể có các tính năng bổ sung để kiểm soát và chẩn đoán độ sáng, bao gồm bảo vệ quá nhiệt. Điều đó nói rằng, có thể đạt được các tính năng nâng cao ở trên bằng cách sử dụng các thiết kế dựa trên BJT rời rạc, nhưng IC dường như là một giải pháp thay thế dễ dàng hơn, so sánh.

Những thách thức trong ứng dụng đèn LED ô tô

Trong nhiều ứng dụng LED ô tô, việc kiểm soát độ sáng trở thành một nhu cầu thiết yếu.

Vì việc điều chỉnh dòng điện thuận IF thông qua đèn LED sẽ điều chỉnh mức độ sáng tương ứng, các thiết kế tương tự có thể được sử dụng để đạt được kết quả. Một phương pháp kỹ thuật số để điều khiển độ sáng của đèn LED là thông qua PWM hoặc điều chế độ rộng xung. Các chi tiết sau đây phân tích hai khái niệm và chỉ ra cách chúng có thể được áp dụng cho các ứng dụng đèn LED ô tô

Sự khác biệt giữa điều khiển độ sáng LED tương tự và PWM

Hình 11 đánh giá sự khác biệt chính giữa phương pháp điều khiển độ sáng LED tương tự và kỹ thuật số.

Hình # 11

Bằng cách sử dụng điều khiển độ sáng đèn LED tương tự, độ sáng của đèn LED được thay đổi thông qua cường độ của dòng điện chạy qua lớn hơn dẫn đến tăng độ sáng và ngược lại.

Tuy nhiên, chất lượng của điều khiển độ sáng hoặc điều chỉnh độ sáng tương tự không đạt yêu cầu, đặc biệt là ở dải độ sáng thấp hơn. Độ mờ tương tự thường không thích hợp cho các ứng dụng LED phụ thuộc vào màu sắc, như ánh sáng RGB hoặc chỉ báo trạng thái vì IF thay đổi có xu hướng ảnh hưởng đến đầu ra màu của đèn LED, gây ra độ phân giải màu kém từ đèn LED RGB.

Ngược lại, Bộ điều chỉnh độ sáng LED dựa trên PWM không thay đổi dòng chuyển tiếp IF của đèn LED, thay vào đó điều khiển cường độ bằng cách thay đổi tốc độ chuyển đổi BẬT / TẮT của đèn LED. Sau đó, dòng điện LED thời gian BẬT trung bình quyết định độ sáng tương ứng trên đèn LED. Nó còn được gọi là chu kỳ nhiệm vụ (tỷ lệ độ rộng xung trên khoảng thời gian xung của PWM). Thông qua PWM, chu kỳ nhiệm vụ cao hơn dẫn đến dòng điện trung bình cao hơn qua đèn LED gây ra độ sáng cao hơn và ngược lại.

Do bạn có thể tinh chỉnh chu kỳ nhiệm vụ cho các phạm vi chiếu sáng khác nhau, tính năng làm mờ PWM giúp đạt được tỷ lệ làm mờ rộng hơn nhiều so với làm mờ tương tự.

Mặc dù PWM đảm bảo đầu ra kiểm soát độ sáng nâng cao, nhưng nó đòi hỏi nhiều phân tích thiết kế hơn. Tần số PWM phải cao hơn nhiều so với những gì mà thị giác của chúng ta có thể cảm nhận được, nếu không các đèn LED có thể xuất hiện như nhấp nháy. Hơn nữa, mạch điều chỉnh độ sáng PWM nổi tiếng với việc tạo ra nhiễu điện từ (EMI).

Nhiễu từ Trình điều khiển LED

Mạch điều khiển đèn LED ô tô được xây dựng với khả năng điều khiển EMI không đủ có thể ảnh hưởng xấu đến các phần mềm điện tử lân cận khác, chẳng hạn như tạo ra tiếng ồn ù trong radio hoặc thiết bị âm thanh nhạy cảm tương tự.

Các IC trình điều khiển LED chắc chắn có thể cung cấp cho bạn cả tính năng làm mờ analog và PWM cùng với các chức năng bổ sung để xử lý EMI, chẳng hạn như tốc độ quay có thể lập trình, hoặc dịch chuyển pha kênh đầu ra hoặc độ trễ nhóm.

Chẩn đoán LED và báo cáo lỗi

Chẩn đoán LED bao gồm quá nhiệt, ngắn mạch hoặc hở mạch là điều kiện tiên quyết trong thiết kế phổ biến, đặc biệt khi ứng dụng yêu cầu hoạt động nhiều LED. Giảm thiểu nguy cơ trục trặc của đèn LED, trình điều khiển LED có dòng điện đầu ra được điều chỉnh với độ chính xác cao hơn so với topolgies trình điều khiển rời rạc dựa trên bóng bán dẫn.

Cùng với đó, trình điều khiển IC cũng kết hợp thêm tính năng bảo vệ quá nhiệt để đảm bảo tuổi thọ hoạt động cao hơn của đèn LED và bản thân mạch trình điều khiển.

Trình điều khiển đèn LED được thiết kế cho ô tô phải được trang bị để phát hiện lỗi, ví dụ như đèn LED bị hở hoặc ngắn mạch. Một số ứng dụng cũng có thể yêu cầu các biện pháp tiếp theo để chống lại lỗi được phát hiện.

Ví dụ, một mô-đun đèn sau ô tô bao gồm một số chuỗi đèn LED để chiếu sáng đèn đuôi và đèn phanh. Trong trường hợp phát hiện lỗi LED bị đứt ở một trong các chuỗi LED, thì mạch phải có khả năng tắt toàn bộ dãy đèn LED, để đảm bảo có thể tránh được thêm hư hỏng cho các LED còn lại.

Hành động này cũng sẽ cảnh báo người dùng về mô-đun LED đã xuống cấp không theo tiêu chuẩn cần được gỡ cài đặt và gửi đến nhà sản xuất để bảo trì.

Mô-đun kiểm soát cơ thể (BCM)

Để có thể cung cấp cảnh báo chẩn đoán cho người sử dụng xe hơi, một công tắc bên cao thông minh trong mô-đun kiểm soát cơ thể (BCM) ghi nhận lỗi thông qua phần tử đèn hậu như minh họa trong Hình 12 ở trên.

Phải nói rằng, việc xác định lỗi LED thông qua BCM có thể phức tạp. Đôi khi bạn có thể sử dụng cùng một thiết kế bảng BCM để phát hiện mạch dựa trên bóng đèn sợi đốt tiêu chuẩn hoặc hệ thống dựa trên đèn LED vì dòng điện LED có xu hướng nhỏ hơn đáng kể so với mức tiêu thụ bóng đèn sợi đốt, phân biệt giữa tải LED hợp lý.

Phần kết luận

Có thể khó xác định tải đang mở hoặc tải bị ngắt kết nối nếu chẩn đoán cảm nhận hiện tại không được thiết kế chính xác. Thay vì có một chuỗi đèn LED mở riêng lẻ, việc TẮT toàn bộ chuỗi đèn LED trở nên dễ dàng phát hiện hơn đối với BCM để báo cáo tình huống tải mở. Một điều kiện đảm bảo rằng nếu một đèn LED bị lỗi thì tiêu chí All-LED-fail có thể được thực hiện để tắt tất cả các đèn LED khi phát hiện một lỗi LED. Trình điều khiển đèn LED tuyến tính trên ô tô bao gồm tính năng cho phép phản ứng một lần không thành công và có thể xác định một bus lỗi phổ biến trong nhiều cấu hình IC.