Circuits de pilote de LED automobile - Analyse de conception

Dans les voitures ou les automobiles, les LED sont devenues le choix d'éclairage préféré. Qu'il s'agisse des feux arrière ou des indicateurs témoins du groupe, comme indiqué dans la figure 1 ci-dessous, tous intègrent de nos jours des LED. Leurs dimensions compactes contribuent à la polyvalence dans la conception et offrent la possibilité d’être aussi durable que l’espérance de vie du véhicule lui-même.

Figure 1

D'un autre côté, même si les LED sont des dispositifs très efficaces, elles sont vulnérables à la détérioration due à des paramètres de tension, de courant et de température non régulés, en particulier dans l'écosystème automobile difficile.

Pour pouvoir améliorer l'efficacité et la permanence de la lumière LED, Conception de circuit de pilote de LED exige une analyse prudente.

Les circuits électroniques qui sont appliqués comme pilotes de LED utilisent fondamentalement des transistors. Une topologie de circuit standard fréquemment utilisée dans les pilotes de LED se trouve être la topologie linéaire, où le transistor est conçu pour fonctionner à l'intérieur de la région linéaire.

Cette topologie nous donne la possibilité de faire circuits de commande via des transistors uniquement ou en utilisant des circuits intégrés spécialisés avec des transistors intégrés et des fonctionnalités supplémentaires d'amélioration des LED.

Dans les applications discrètes, les transistors à jonction bipolaire (BJT), qui sont des produits de base très accessibles, ont tendance à être les préférés.

Malgré le fait que les BJT soient simples à configurer du point de vue du circuit, des complications majeures peuvent être trouvées lors de la création d'une solution de pilote de LED totale qui répond à la précision du contrôle actuel, à la dimension du PCB, à la gestion de la chaleur et au diagnostic des pannes, qui sont quelques prérequis importants tout au long. toute la plage de tension d'alimentation et de température de fonctionnement.

De plus, comme le la quantité de LED augmente , la conception de circuits utilisant des étages BJT discrets devient encore plus sophistiquée.

Par rapport aux pièces discrètes, en appliquant Alternatives basées sur IC semblent être plus pratiques en ce qui concerne la disposition du circuit, mais en plus les procédures de conception et d'évaluation.

En plus de cela, le remède général est peut-être encore plus abordable.

Paramètres de conception de pilotes LED automobiles

Par conséquent, lors de la conception de circuits de commande de LED pour un éclairage automobile application, il est essentiel de prendre en compte les points focaux des LED, d'évaluer les alternatives de conception de circuits et de tenir compte des exigences du système.

Une LED est en fait une diode de jonction de type N (PN) de type P qui permet au courant de la traverser uniquement dans une seule direction. Le courant commence à circuler dès que la tension aux bornes de la LED atteint la tension directe minimale (VF).

Le niveau d'éclairage ou la luminosité d'une LED est déterminé par le courant direct (IF) tandis que la quantité de courant consommée par une LED dépend de la tension appliquée à travers la LED.

Même si la luminosité de la LED et le courant direct IF sont linéairement liés, même une légère augmentation de la tension directe VF aux bornes de la LED peut déclencher une augmentation rapide de l'apport de courant de la LED.

Les LED avec des spécifications de couleur différentes ont des spécifications VF et IF différentes en raison de leurs ingrédients semi-conducteurs spécifiques (Figure 2). Il est nécessaire de prendre en compte les spécifications de la fiche technique de chaque LED, en particulier lors de l'application de LED de différentes couleurs dans un seul circuit.

Figure 2

Par exemple, lors du développement avec éclairage rouge-vert-bleu (RVB) , une LED rouge peut avoir une tension nominale d'environ 2 V, tandis que la même chose pour une LED bleue et verte pourrait être d'environ 3 à 4 V.

Étant donné que vous utilisez ces LED à partir d'une seule alimentation commune, vous aurez peut-être besoin d'un résistance de limitation de courant pour chacune des LED colorées, pour éviter la détérioration des LED.

Efficacité thermique et énergétique

Outre les paramètres de tension d'alimentation et de courant, la température et l'efficacité énergétique nécessitent également une analyse minutieuse. Bien que la plupart du courant appliqué sur une LED soit converti en lumière LED, une petite quantité d'énergie est transformée en chaleur dans la jonction PN de l'appareil.

La température générée à travers une jonction LED pourrait être sérieusement affectée par quelques paramètres externes tels que:

• par la température atmosphérique (TA),
• par la résistance thermique entre la jonction LED et l'air ambiant (RθJA),
• et par la dissipation de puissance (PD).

L'équation 1 suivante révèle la spécification de dissipation de puissance PD d'une LED:

PD = VF × IF ------------ Éq # 1

À l'aide de ce qui précède, nous pouvons en outre dériver l'équation suivante qui calcule la température de jonction (TJ) d'une LED:

TJ = TA + RθJA × PD ---------- Éq # 2

Il est essentiel de déterminer le TJ non seulement dans des conditions de travail normales, mais également sous une température ambiante maximale absolue TA de la conception, en ce qui concerne le pire des scénarios.

Lorsque la température de jonction LED TJ augmente, son efficacité de travail se détériore. L'IF et la température de jonction TJ du courant direct d'une LED doivent rester en dessous de leurs valeurs nominales maximales absolues, telles que classées par les fiches techniques, afin de se protéger contre la destruction (Figure 3).

Figure 3

Outre les LED, vous devez également prendre en compte l'efficacité énergétique des résistances et des éléments de commande tels que les BJT et les amplificateurs opérationnels (amplificateurs opérationnels), en particulier à mesure que la quantité de composants discrets augmente.

Une efficacité énergétique inadéquate des étages de commande, la période d'activation des LED et / ou la température ambiante, tous ces facteurs peuvent entraîner une augmentation de la température de l'appareil, influençant la sortie de courant du driver BJT et réduisant la chute de VF des LED. .

Comme l'augmentation de la température réduit la chute de tension directe des LED, le taux de consommation de courant de la LED augmente, entraînant une dissipation de puissance proportionnellement accrue PD et la température, ce qui entraîne une réduction supplémentaire de la chute de tension directe des LED VF.

Ce cycle d'augmentation continue de la température, également appelé «emballement thermique», oblige les LED à fonctionner au-dessus de leur température de fonctionnement optimale, provoquant une dégradation rapide, et à un moment donné, une défaillance de l'appareil, en raison d'un niveau accru de consommation IF .

Pilotes LED linéaires

Faire fonctionner les LED de manière linéaire via des transistors ou des circuits intégrés est en fait très pratique. De toutes les possibilités, l'approche la plus simple pour contrôler une LED est généralement de la connecter directement à travers la source de tension d'alimentation (VS).

Avoir la bonne résistance de limitation de courant limite la consommation de courant de l'appareil et corrige une chute de tension précise pour la LED. L'équation 3 suivante peut être utilisée pour calculer la valeur de la résistance série (RS):

RS = VS - VF / IF ---------- Éq # 3

En se référant à la figure n ° 4, nous voyons que 3 LED sont utilisées en série, toute la chute de tension VF entre les 3 LED doit être prise en compte par le calcul VF (le courant direct IF de la LED reste constant.)

Figure n ° 4

Bien que cela puisse être la configuration de pilote de LED la plus simple, elle peut être assez peu pratique dans une implémentation réelle.

Les blocs d'alimentation, en particulier les batteries automobiles, sont sensibles aux fluctuations de tension.

Une augmentation mineure de l'entrée d'alimentation déclenche la LED pour tirer des quantités plus élevées de courant et par conséquent être détruite.

De plus, une dissipation de puissance PD excessive dans la résistance augmente la température du dispositif, ce qui peut provoquer un emballement thermique.

Pilotes LED discrets à courant constant pour application automobile

Lorsqu'une fonction à courant constant est utilisée, elle garantit une mise en page fiable et économe en énergie améliorée. Étant donné que la technique la plus répandue pour faire fonctionner une LED est via une commutation marche / arrêt, un transistor permet une alimentation en courant bien régulée.

Figure n ° 5

En se référant à la figure 5 ci-dessus, il peut être possible d'opter pour un BJT ou un MOSFET, en fonction des spécifications de tension et de courant de la configuration de LED. Les transistors supportent facilement une puissance plus importante par rapport à une résistance, tout en étant sensibles aux augmentations et baisses de tension et aux variations de température. Par exemple, lorsque la tension autour d'un BJT augmente, son courant augmente également proportionnellement.

Pour garantir une stabilité supplémentaire, il est possible de personnaliser ces circuits BJT ou MOSFET pour fournir un courant constant malgré des déséquilibres de la tension d'alimentation.

Conception de la source de courant LED

Les figures 6 à 8 présentent une poignée d'illustrations de circuits de source de courant.

Sur la figure 6, une diode Zener génère une tension de sortie stable dans la base du transistor.

La résistance de limitation de courant RZ assure un courant contrôlé pour permettre à la diode Zener de fonctionner correctement.

La sortie de la diode Zener produit une tension constante malgré les fluctuations de la tension d'alimentation.

La chute de tension sur la résistance d'émetteur RE doit compléter la chute de tension de la diode Zener, par conséquent le transistor ajuste le courant du collecteur, ce qui garantit que le courant à travers les LED reste toujours constant.

Utilisation d'un retour d'ampli opérationnel

Sur la figure 7 ci-dessous, un circuit amplificateur opérationnel avec une boucle de rétroaction est montré pour créer un circuit de contrôleur de LED automobile idéal. La connexion de rétroaction garantit que la sortie est automatiquement ajustée afin que le potentiel développé à son entrée négative reste égal à son entrée de référence positive.

Une diode Zener est bloquée pour générer une tension de référence à l'entrée non inverseuse de l'ampli opérationnel. Dans le cas où le courant des LED dépasse une valeur prédéterminée, il développe une quantité proportionnelle de tension aux bornes de la résistance de détection RS, qui tente de dépasser la valeur de référence Zener.

Étant donné que cela provoque le dépassement de la tension à l'entrée inverseuse négative de l'ampli opérationnel par rapport à la valeur Zener de référence positive, force la sortie de l'amplificateur opérationnel à s'éteindre, ce qui réduit le courant de la LED et également la tension à travers RS.

Cette situation ramène à nouveau la sortie de l'amplificateur opérationnel à l'état de commutation ON et active la LED, et cette action d'auto-ajustement de l'amplificateur opérationnel continue à garantir à l'infini que le courant de la LED ne dépasse jamais le niveau de sécurité calculé.

La figure 8 ci-dessus illustre une autre conception basée sur la rétroaction réalisée à l'aide de quelques BJT. Ici, le courant circule au moyen de R1, activant le transistor Q1. Le courant continue de circuler via R2, qui fixe la quantité correcte de courant à travers les LED.

Dans le cas où ce courant de LED à travers R2 essaie de dépasser la valeur prédéterminée, la chute de tension à travers R2 augmente également proportionnellement. Au moment où cette chute de tension monte jusqu'à la tension base-émetteur (Vbe) du transistor Q2, Q2 commence à passer à l'état passant.

Être allumé Q2 commence maintenant à tirer du courant à travers R1, forçant Q1 à commencer à s'éteindre et la condition continue à ajuster automatiquement le courant à travers la LED, garantissant que le courant de la LED ne dépasse jamais le niveau dangereux.

Ce limiteur de courant transistorisé avec boucle de rétroaction garantit une alimentation en courant constant aux LED selon la valeur calculée de R2. Dans l'exemple ci-dessus, des BJT sont mis en œuvre mais néanmoins il est également possible d'utiliser des MOSFET dans ce circuit, pour des applications à courant plus élevé.

Pilotes LED à courant constant utilisant des circuits intégrés

Ces blocs de construction essentiels à base de transistors pourraient être facilement reproduits pour faire fonctionner plusieurs chaînes de LED, comme illustré à la figure 9.

Contrôler un groupe de Chaînes LED fait rapidement augmenter le nombre de composants, occupant plus d'espace sur le PCB et consommant plus de broches d'entrée / sortie à usage général (GPIO).

De plus, ces conceptions sont fondamentalement sans contrôle de la luminosité et sans considérations de diagnostic de défaut, qui sont des besoins essentiels pour la plupart des applications de LED d'alimentation.

Pour inclure les spécifications telles que le contrôle de la luminosité et le diagnostic des pannes, il faut un nombre supplémentaire de composants discrets et des procédures d'analyse de conception supplémentaires.

Conceptions LED qui incluent plus grand nombre de LED , fait en sorte que les conceptions de circuits discrets incluent un plus grand nombre de pièces, ce qui augmente la complexité du circuit.

Afin de rationaliser le processus de conception, il est considéré comme le plus efficace d'appliquer CI spécialisés pour fonctionner comme pilotes de LED . De nombreux composants discrets comme indiqué sur la figure 9 pourraient être simplifiés avec un pilote de LED basé sur IC, comme indiqué sur la figure 10.

Figure n ° 10

Les circuits intégrés de commande de LED sont spécialement conçus pour traiter les spécifications critiques de tension, de courant et de température des LED, ainsi que pour minimiser le nombre de pièces et les dimensions de la carte.

En outre, les circuits intégrés de pilote de LED peuvent avoir des fonctionnalités supplémentaires pour le contrôle de la luminosité et les diagnostics, y compris la protection contre la surchauffe. Cela dit, il peut être possible d'obtenir les fonctionnalités avancées ci-dessus en utilisant également des conceptions discrètes basées sur BJT, mais les circuits intégrés semblent être une alternative plus facile, comparativement.

Défis dans les applications LED automobiles

Dans de nombreuses implémentations de LED automobiles, le contrôle de la luminosité devient une nécessité essentielle.

Étant donné que le réglage du courant direct IF à travers la LED ajuste le niveau de luminosité proportionnellement, des conceptions analogiques peuvent être utilisées pour obtenir les résultats. Une méthode numérique de contrôle de la luminosité des LED est via PWM ou modulation de largeur d'impulsion. Les détails suivants analysent les deux concepts et montrent comment ils peuvent être appliqués aux applications LED automobiles

Différence entre le contrôle de la luminosité LED analogique et PWM

La figure 11 évalue la principale différence entre les méthodes analogiques et numériques de contrôle de la luminosité des LED.

Figure n ° 11

En utilisant un contrôle analogique de la luminosité de la LED, l'éclairage de la LED est modifié par l'ampleur du courant qui circule, un courant plus important entraîne une luminosité accrue et vice versa.

Mais la qualité de la gradation analogique ou du contrôle de la luminosité n'est pas satisfaisante, en particulier dans les plages de luminosité inférieures. La gradation analogique n'est généralement pas appropriée pour les applications LED dépendant de la couleur, comme l'éclairage RVB ou les indicateurs d'état, car la variation IF a tendance à affecter la sortie couleur de la LED, entraînant une mauvaise résolution des couleurs des LED RVB.

En revanche, Gradateurs LED basés sur PWM ne faites pas varier le courant direct de la LED IF, mais contrôle plutôt l'intensité en faisant varier la vitesse de commutation ON / OFF des LED. Ensuite, le courant moyen de la LED du temps de marche détermine la luminosité proportionnelle de la LED. Il est également appelé rapport cyclique (le rapport de la largeur d'impulsion sur l'intervalle d'impulsion du PWM). Grâce à PWM, un rapport cyclique plus élevé entraîne un courant moyen plus élevé à travers la LED, ce qui entraîne une luminosité plus élevée et vice versa.

En raison du fait que vous êtes en mesure d'ajuster finement le cycle de service à diverses plages d'éclairage, la gradation PWM permet d'obtenir un rapport de gradation beaucoup plus large par rapport à la gradation analogique.

Bien que PWM garantisse une sortie de contrôle de luminosité améliorée, il nécessite une analyse de conception plus approfondie. La fréquence PWM doit être beaucoup plus élevée que ce que notre vision peut percevoir, sinon les LED peuvent finir par apparaître comme si elles clignotaient. En outre, les circuits de gradateurs PWM sont connus pour générer des interférences électromagnétiques (EMI).

Interférence des pilotes de LED

Un circuit de pilote de LED automobile construit avec un contrôle EMI inadéquat peut avoir un effet négatif sur d'autres logiciels électroniques voisins, tels que la génération de bruit de bourdonnement dans la radio ou un équipement audio sensible similaire.

Les circuits intégrés de pilote de LED peuvent certainement vous fournir des fonctionnalités de gradation analogiques et PWM ainsi que des fonctions supplémentaires pour lutter contre les EMI, telles que la vitesse de balayage programmable, le décalage de phase du canal de sortie ou le retard de groupe.

Diagnostics LED et signalisation des défauts

Les diagnostics LED qui incluent la surchauffe, le court-circuit ou le circuit ouvert sont une condition préalable de conception populaire, en particulier lorsque l'application nécessite un fonctionnement à LED multiples. Minimisant le risque de dysfonctionnement des LED, les pilotes de LED disposent d'un courant de sortie régulé avec une plus grande précision que les topolgies de pilotes discrets à transistors.

Parallèlement à cela, les pilotes de circuits intégrés intègrent en outre une protection contre la surchauffe pour garantir une durée de vie opérationnelle plus longue des LED et du circuit de pilotage lui-même.

Les pilotes de LED conçus pour les automobiles doivent être équipés pour détecter les erreurs, par exemple une LED ouverte ou un court-circuit. Quelques applications peuvent également nécessiter des mesures de suivi pour contrer un défaut détecté.

À titre d'exemple, un module d'éclairage arrière de voiture comprend un certain nombre de chaînes de LED pour éclairer les feux arrière et les feux de freinage. Dans le cas où un défaut de LED cassé est détecté dans l'une des chaînes de LED, le circuit doit être en mesure d'éteindre l'ensemble du réseau de LED, afin de garantir que d'autres dommages aux LED restantes puissent être évités.

L'action avertirait également l'utilisateur du module LED dégradé non standard qui doit être désinstallé et envoyé pour maintenance au fabricant.

Modules de contrôle corporel (BCM)

Pour pouvoir fournir une alerte de diagnostic à l'utilisateur de la voiture, un interrupteur intelligent module de contrôle du corps (BCM) enregistre un défaut à travers l'élément de feu arrière comme illustré dans la figure 12 ci-dessus.

Cela dit, l'identification d'un défaut de LED via le BCM pourrait être compliquée. Parfois, vous pouvez utiliser la même conception de carte BCM pour détecter un circuit à ampoule à incandescence standard ou un système à LED, car le courant de la LED a tendance à être beaucoup plus faible que la consommation d'ampoule à incandescence, ce qui différencie une charge logique de LED.

Conclusion

Une charge ouverte ou déconnectée peut être difficile à identifier si les diagnostics de détection de courant ne sont pas conçus avec précision. Au lieu d'avoir une chaîne de LED ouverte individuelle, la désactivation de toute la chaîne de chaînes de LED devient plus facilement détectable par le BCM pour signaler une situation de charge ouverte. Une condition qui garantit qu'en cas de panne d'une LED, le critère de défaillance de toutes les LED peut être exécuté pour éteindre toutes les LED lors de la détection d'un seul défaut de LED. Les pilotes de LED linéaires automobiles incluent la fonction qui permet une réaction un échec-tout-échec et peuvent identifier un bus d'erreur commun dans plusieurs configurations de circuits intégrés.