Sirkuit Driver LED Otomotif - Analisis Desain

Di mobil atau mobil, LED telah berkembang menjadi pilihan pencahayaan yang disukai. Baik itu lampu belakang belakang atau indikator tanda di cluster seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 di bawah, semuanya menggunakan LED saat ini. Dimensi kompaknya membantu keserbagunaan dalam desain dan menawarkan calon untuk tahan lama seperti harapan hidup kendaraan itu sendiri.

Gambar 1

Di sisi lain, meskipun LED adalah perangkat yang sangat efisien, mereka rentan terhadap kerusakan akibat parameter tegangan, arus, dan suhu yang tidak diatur, terutama di ekosistem otomotif yang keras.

Untuk dapat meningkatkan efisiensi dan permanen cahaya LED, Desain sirkuit driver LED menuntut analisis yang cermat.

Sirkuit elektronik yang diterapkan sebagai driver LED pada dasarnya menggunakan transistor. Salah satu topologi rangkaian standar yang sering digunakan dalam driver LED kebetulan adalah topologi linier, di mana transistor dirancang untuk bekerja di dalam wilayah linier.

Topologi ini memberi kita pilihan pembuatan sirkuit driver hanya melalui transistor atau menggunakan IC khusus dengan transistor internal dan fitur peningkatan LED tambahan.

Dalam aplikasi terpisah, transistor junction bipolar (BJT), yang merupakan produk komoditas yang sangat mudah diakses, cenderung menjadi favorit.

Terlepas dari kenyataan bahwa BJT mudah dikonfigurasi dari sudut pandang sirkuit, komplikasi utama dapat ditemukan saat membuat solusi driver LED total yang memenuhi keakuratan kontrol saat ini, dimensi PCB, manajemen panas dan diagnosis kesalahan, yang merupakan beberapa prasyarat penting di seluruh seluruh tegangan suplai kerja dan kisaran suhu.

Selanjutnya sebagai jumlah LED meningkat , desain sirkuit yang menggunakan tahapan BJT diskrit menjadi lebih canggih.

Dibandingkan dengan bagian diskrit, mengaplikasikan Alternatif berbasis IC tampaknya lebih nyaman dalam hal tata letak sirkuit, tetapi juga desain dan prosedur evaluasi.

Selain itu, pengobatan umum mungkin lebih terjangkau.

Parameter untuk Merancang Driver LED Otomotif

Oleh karena itu, saat mendesain sirkuit driver LED untuk sebuah pencahayaan otomotif aplikasi, penting untuk merenungkan titik fokus LED, mengevaluasi alternatif desain sirkuit, dan faktor-faktor dalam tuntutan sistem.

LED sebenarnya adalah dioda persimpangan tipe-N (PN) tipe-P yang memungkinkan arus bergerak melewatinya hanya dalam satu arah. Arus mulai mengalir segera setelah tegangan yang melintasi LED mencapai tegangan maju minimum (VF).

Tingkat iluminasi atau kecerahan LED ditentukan oleh arus maju (IF) sedangkan berapa banyak arus yang dikonsumsi LED tergantung pada tegangan yang diterapkan di seluruh LED.

Meskipun kecerahan LED dan IF arus maju berhubungan linier, bahkan sedikit peningkatan tegangan maju VF melintasi LED dapat memicu eskalasi yang cepat dalam asupan arus LED.

LED dengan spesifikasi warna berbeda memiliki spesifikasi VF dan IF yang berbeda karena bahan semikonduktor spesifiknya (Gambar 2). Penting untuk mempertimbangkan spesifikasi lembar data setiap LED, khususnya saat menerapkan LED warna yang berbeda dalam satu sirkuit.

Gambar 2

Misalnya, saat mengembangkan dengan pencahayaan merah-hijau-biru (RGB) , LED merah mungkin datang dengan peringkat tegangan maju sekitar 2 V, sedangkan yang sama untuk LED biru dan hijau bisa sekitar 3 hingga 4 V.

Mengingat Anda mengoperasikan LED ini dari satu catu tegangan umum, Anda mungkin perlu menghitung dengan baik resistor pembatas arus untuk setiap LED berwarna, untuk menghindari penurunan kualitas LED.

Efisiensi termal dan daya

Selain tegangan suplai dan parameter arus, suhu dan efisiensi daya juga membutuhkan analisis yang cermat. Meskipun, sebagian besar arus yang diterapkan di seluruh LED diubah menjadi lampu LED, sejumlah kecil daya diubah menjadi panas di dalam sambungan PN perangkat.

Suhu yang dihasilkan di persimpangan LED dapat sangat dipengaruhi oleh beberapa parameter eksternal seperti:

• oleh suhu atmosfer (TA),
• oleh hambatan termal antara sambungan LED dan udara ambien (RθJA),
• dan dengan disipasi daya (PD).

Persamaan 1 berikut menunjukkan PD spesifikasi disipasi daya dari sebuah LED:

PD = VF × IF ------------ Persamaan # 1

Dengan bantuan di atas, kita selanjutnya dapat memperoleh persamaan berikut yang menghitung suhu persimpangan (TJ) dari sebuah LED:

TJ = TA + RθJA × PD ---------- Persamaan # 2

Sangat penting untuk menentukan TJ tidak hanya dalam kondisi kerja normal, tetapi juga di bawah suhu lingkungan maksimum absolut TA desain, dengan memperhatikan masalah skenario kasus terburuk.

Saat suhu sambungan LED TJ meningkat, efisiensi kerjanya menurun. IF arus maju LED dan suhu persimpangan TJ harus tetap di bawah peringkat maksimum absolutnya, seperti yang diklasifikasikan oleh lembar data, untuk melindungi dari kerusakan (Gambar 3).

Gambar # 3

Selain LED, Anda juga harus mempertimbangkan efisiensi daya resistor dan elemen penggerak seperti BJT dan penguat operasional (op amp), khususnya karena jumlah komponen diskrit meningkat.

Efisiensi daya yang tidak memadai dari tahapan pengemudi, periode waktu LED dan / atau suhu sekitar semua faktor ini dapat menyebabkan kenaikan suhu perangkat, mempengaruhi keluaran driver BJT saat ini, dan mengurangi penurunan VF pada LED .

Karena kenaikan suhu mengurangi penurunan tegangan maju LED, tingkat konsumsi LED saat ini meningkat yang menyebabkan peningkatan disipasi daya PD dan suhu secara proporsional, dan ini menyebabkan penurunan lebih lanjut dalam penurunan tegangan maju VF LED.

Siklus kenaikan suhu yang terus-menerus ini, juga disebut sebagai 'pelarian termal', memaksa LED berfungsi di atas suhu pengoperasian optimal, menyebabkan degradasi yang cepat, dan di beberapa titik kegagalan perangkat, karena tingkat konsumsi IF yang meningkat .

Driver LED Linear

Mengoperasikan LED secara linier melalui transistor atau IC sebenarnya cukup nyaman. Dari semua kemungkinan, pendekatan paling sederhana untuk mengontrol LED biasanya menghubungkannya tepat di sumber tegangan suplai (VS).

Memiliki resistor pembatas arus yang tepat akan membatasi penarikan arus perangkat dan memperbaiki penurunan tegangan yang akurat untuk LED. Persamaan 3 berikut dapat digunakan untuk menghitung nilai resistor seri (RS):

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

Mengacu pada Gambar # 4 kita melihat bahwa 3 LED digunakan secara seri, seluruh penurunan tegangan VF di 3 LED harus dipertimbangkan dengan perhitungan VF (arus maju LED IF tetap konstan.)

Gambar # 4

Meskipun ini dapat menjadi konfigurasi driver LED yang paling sederhana, ini mungkin sangat tidak praktis dalam implementasi kehidupan nyata.

Pasokan listrik, terutama baterai otomotif, rentan terhadap fluktuasi tegangan.

Peningkatan kecil pada input suplai memicu LED untuk menarik arus dalam jumlah yang lebih tinggi dan akibatnya akan hancur.

Selain itu, disipasi daya yang berlebihan PD dalam resistor meningkatkan suhu perangkat, yang dapat menyebabkan pelarian termal.

Driver LED Arus Konstan Diskrit untuk Aplikasi Otomotif

Ketika fitur arus konstan digunakan, ini memastikan tata letak yang hemat daya dan andal yang ditingkatkan. Karena teknik yang paling umum untuk mengoperasikan LED adalah melalui sakelar hidup dan mati, transistor memungkinkan pasokan arus yang diatur dengan baik.

Gambar # 5

Mengacu pada Gambar 5 di atas, dimungkinkan untuk menggunakan BJT atau MOSFET, berdasarkan spesifikasi tegangan dan arus dari konfigurasi LED. Transistor dengan mudah menangani daya yang lebih besar dibandingkan dengan resistor, namun rentan terhadap naik turunnya tegangan dan variasi suhu. Misalnya, ketika tegangan di sekitar BJT naik, arusnya juga meningkat secara proporsional.

Untuk menjamin stabilitas tambahan, dimungkinkan untuk menyesuaikan rangkaian BJT atau MOSFET ini untuk menghasilkan arus konstan meskipun tegangan suplai tidak seimbang.

Merancang Sumber Arus LED

Gambar 6 sampai 8 menunjukkan beberapa ilustrasi rangkaian sumber arus.

Pada Gambar 6, dioda Zener menghasilkan tegangan keluaran yang stabil ke basis transistor.

Resistor pembatas arus RZ memastikan arus terkontrol untuk memungkinkan dioda Zener bekerja dengan benar.

Keluaran dioda Zener menghasilkan tegangan konstan meskipun terjadi fluktuasi tegangan suplai.

Penurunan tegangan pada resistor emitor RE harus melengkapi penurunan tegangan dioda Zener, oleh karena itu transistor menyesuaikan arus kolektor yang memastikan bahwa arus yang melalui LED selalu tetap konstan.

Menggunakan Umpan Balik Op Amp

Pada Gambar 7 di bawah ini, rangkaian op amp dengan loop umpan balik ditampilkan untuk membuat rangkaian pengontrol LED otomotif yang ideal. Koneksi umpan balik memastikan bahwa output secara otomatis disesuaikan agar potensi yang dikembangkan pada input negatifnya tetap sama dengan input referensi positifnya.

Dioda Zener dijepit untuk menghasilkan tegangan referensi pada input non-pembalik op amp. Jika arus LED melebihi nilai yang telah ditentukan, ia mengembangkan jumlah tegangan yang proporsional di resistor sensor RS, yang mencoba untuk melampaui nilai referensi zener.

Karena hal ini menyebabkan tegangan pada masukan pembalik negatif dari op amp melebihi nilai zener referensi positif, memaksa keluaran op amp ke saklar OFF yang pada gilirannya mengurangi arus LED dan juga tegangan yang melintasi RS.

Situasi ini lagi-lagi mengembalikan output op amp ke status ON dan mengaktifkan LED, dan tindakan penyesuaian otomatis dari op amp ini berlanjut tanpa batas untuk memastikan bahwa arus LED tidak pernah melebihi level tidak aman yang dihitung.

Gambar 8 di atas mengilustrasikan satu lagi desain berbasis umpan balik yang dicapai dengan menggunakan beberapa BJT. Di sini, arus mengalir melalui R1, menyalakan transistor Q1. Arus terus berjalan melalui R2, yang memperbaiki jumlah arus yang benar melalui LED.

Jika arus LED melalui R2 ini mencoba melebihi nilai yang telah ditentukan, penurunan tegangan pada R2 juga meningkat secara proporsional. Saat penurunan tegangan ini naik ke tegangan basis-ke-emitor (Vbe) dari transistor Q2, Q2 mulai menyala.

Sedang DIAKTIFKAN Q2 sekarang mulai menarik arus melalui R1, memaksa Q1 untuk mulai mati dan kondisi terus menyesuaikan arus melalui LED memastikan bahwa arus LED tidak pernah melampaui tingkat yang tidak aman ..

Ini pembatas arus transistorized dengan loop umpan balik menjamin pasokan arus konstan ke LED sesuai nilai R2 yang dihitung. Dalam contoh di atas BJT diimplementasikan tetapi juga layak untuk menggunakan MOSFET di sirkuit ini, untuk aplikasi arus yang lebih tinggi.

Driver LED Arus Konstan menggunakan Sirkuit Terpadu

Blok bangunan berbasis transistor penting ini, dapat dengan mudah direplikasi untuk mengoperasikan beberapa string LED, seperti yang ditampilkan pada Gambar 9.

Mengontrol sekelompok Senar LED dengan cepat menyebabkan jumlah komponen meningkat, menempati ruang PCB yang lebih tinggi dan memakan lebih banyak jumlah pin input / output tujuan umum (GPIO).

Selain itu, desain seperti itu pada dasarnya tanpa kontrol kecerahan dan pertimbangan diagnostik kesalahan, yang merupakan kebutuhan penting untuk sebagian besar aplikasi LED daya.

Untuk memasukkan spesifikasi seperti kontrol kecerahan dan diagnosis kesalahan memerlukan tambahan jumlah komponen diskrit dan prosedur analisis desain tambahan.

Desain LED yang meliputi jumlah LED yang lebih tinggi , menyebabkan desain rangkaian diskrit menyertakan jumlah bagian yang lebih tinggi, sehingga meningkatkan kompleksitas rangkaian.

Untuk menyederhanakan proses desain, dianggap paling efektif untuk diterapkan IC khusus berfungsi sebagai driver LED . Banyak komponen diskrit seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9 dapat dibuat lebih mudah dengan driver LED berbasis IC seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10.

Gambar # 10

IC driver LED dirancang khusus untuk menangani spesifikasi tegangan kritis, arus dan suhu LED, dan juga untuk meminimalkan jumlah komponen dan dimensi papan.

Selain itu, IC driver LED mungkin memiliki fitur tambahan untuk kontrol kecerahan dan diagnostik, termasuk proteksi suhu berlebih. Yang mengatakan, dimungkinkan untuk mencapai fitur-fitur canggih di atas menggunakan desain berbasis BJT juga, tetapi IC tampaknya menjadi alternatif yang lebih mudah, secara komparatif.

Tantangan dalam Aplikasi LED Otomotif

Dalam banyak implementasi LED otomotif, kontrol kecerahan menjadi kebutuhan utama.

Karena menyesuaikan arus maju IF melalui LED menyesuaikan tingkat kecerahan secara proporsional, desain analog dapat digunakan untuk mencapai hasil. Metode digital kontrol kecerahan LED melalui PWM atau modulasi lebar pulsa. Rincian berikut menganalisis kedua konsep tersebut dan menunjukkan bagaimana keduanya dapat diterapkan untuk aplikasi LED otomotif

Perbedaan Antara Kontrol Kecerahan LED Analog dan PWM

Gambar 11 mengevaluasi perbedaan utama antara metode analog dan digital untuk mengontrol kecerahan LED.

Gambar # 11

Dengan menggunakan kontrol kecerahan LED analog, iluminasi LED diubah melalui besarnya arus yang mengalir menghasilkan arus yang lebih besar dalam peningkatan kecerahan dan sebaliknya.

Namun, kualitas peredupan analog atau kontrol kecerahan tidak memuaskan, khususnya pada rentang kecerahan yang lebih rendah. Peredupan analog biasanya tidak sesuai untuk aplikasi LED yang bergantung pada warna, seperti pencahayaan RGB atau indikator status karena IF yang bervariasi cenderung memengaruhi keluaran warna LED, menyebabkan resolusi warna yang buruk dari LED RGB.

Sebaliknya, Dimmer LED berbasis PWM Jangan memvariasikan arus maju LED JIKA, alih-alih mengontrol intensitas dengan memvariasikan tingkat sakelar ON / OFF LED. Kemudian, arus LED waktu ON rata-rata menentukan kecerahan proporsional pada LED. Ini juga disebut siklus kerja (rasio lebar pulsa selama interval pulsa PWM). Melalui PWM, siklus kerja yang lebih tinggi menghasilkan arus rata-rata yang lebih tinggi melalui LED yang menyebabkan kecerahan lebih tinggi dan sebaliknya.

Karena fakta bahwa Anda dapat menyesuaikan siklus tugas dengan baik ke berbagai rentang pencahayaan, peredupan PWM membantu mencapai rasio peredupan yang jauh lebih luas dibandingkan dengan peredupan analog.

Meskipun PWM menjamin keluaran kontrol kecerahan yang ditingkatkan, namun PWM memerlukan lebih banyak analisis desain. Frekuensi PWM harus jauh lebih tinggi daripada yang bisa dilihat oleh penglihatan kita, jika tidak, LED mungkin akan tampak seperti berkedip. Selain itu, sirkuit dimmer PWM terkenal karena menghasilkan interferensi elektromagnetik (EMI).

Gangguan dari Driver LED

Sirkuit driver LED otomotif yang dibangun dengan kontrol EMI yang tidak memadai dapat berdampak buruk pada perangkat lunak elektronik tetangga lainnya, seperti timbulnya derau di radio atau peralatan audio sensitif serupa.

IC driver LED pasti dapat memberi Anda fitur peredupan analog dan PWM bersama dengan fungsi tambahan untuk menangani EMI, seperti laju perubahan tegangan yang dapat diprogram, atau pergeseran fase saluran keluaran atau penundaan grup.

Diagnostik LED dan pelaporan kesalahan

Diagnostik LED yang mencakup pemanasan berlebih, korsleting, atau sirkuit terbuka adalah prasyarat desain yang populer, terutama ketika aplikasi menuntut beberapa operasi LED. Meminimalkan risiko kerusakan LED, driver LED menampilkan arus keluaran yang diatur dengan presisi lebih tinggi daripada topolgies driver diskrit berbasis transistor.

Bersamaan dengan ini, driver IC juga menyertakan perlindungan suhu berlebih untuk memastikan harapan hidup operasional yang lebih tinggi dari LED dan sirkuit driver itu sendiri.

Driver LED yang dirancang untuk mobil harus dilengkapi untuk mendeteksi kesalahan, misalnya LED terbuka atau korsleting. Beberapa aplikasi mungkin juga memerlukan tindakan tindak lanjut untuk mengatasi kesalahan yang terdeteksi.

Sebagai contoh, modul lampu belakang mobil dilengkapi sejumlah rangkaian LED untuk menerangi lampu belakang dan lampu rem. Jika kerusakan LED yang rusak terdeteksi di salah satu string LED, maka rangkaian harus dapat mematikan seluruh rangkaian LED, untuk memastikan bahwa kerusakan lebih lanjut pada LED yang tersisa dapat dihindari.

Tindakan tersebut juga akan memperingatkan pengguna mengenai modul LED terdegradasi non-standar yang perlu dicopot pemasangannya dan dikirim untuk pemeliharaan ke pabrikan.

Modul Kontrol Tubuh (BCM)

Untuk dapat memberikan peringatan diagnostik kepada pengguna mobil, sakelar sisi tinggi yang cerdas di modul kontrol tubuh (BCM) mendaftarkan kesalahan melalui elemen lampu belakang seperti yang diilustrasikan pada Gambar 12 di atas.

Karena itu, identifikasi kesalahan LED melalui BCM bisa jadi rumit. Terkadang Anda dapat menggunakan desain papan BCM yang sama untuk mendeteksi sirkuit berbasis bohlam pijar standar atau sistem berbasis LED karena arus LED cenderung jauh lebih kecil dibandingkan dengan konsumsi bohlam pijar, yang membedakan antara beban LED yang logis.

Kesimpulan

Beban terbuka atau terputus mungkin sulit untuk diidentifikasi jika diagnostik sensorik tidak dirancang secara akurat. Alih-alih memiliki satu string LED terbuka, MATIKAN seluruh string string LED menjadi lebih mudah dideteksi untuk BCM untuk melaporkan situasi beban terbuka. Kondisi yang memastikan bahwa jika Satu-LED-gagal maka kriteria Semua-LED-gagal dapat dijalankan untuk mematikan semua LED saat mendeteksi satu kesalahan LED. Driver LED linier otomotif menyertakan fitur yang memungkinkan reaksi satu-gagal-semua-gagal dan dapat mengidentifikasi bus kesalahan umum di seluruh konfigurasi beberapa IC.