Sterowniki diod LED do aplikacji motoryzacyjnych

Rys. 1. Schemat blokowy samochodowego zasilacza-sterownika LED BD81A33

W zastosowaniach samochodowych od zasilaczy wymaga się zwiększonej odporności na zmiany napięcia, zakłócenia elektromagnetyczne, temperaturę i wilgotność oraz na wpływy chemikaliów, a także spełniania wymagań kompatybilności elektromagnetycznej (EM). Muszą one zatem zawierać rozbudowane obwody ochronne. W artykule pokazujemy przykładowe rozwiązania samochodowych sterowników LED.

Samochodowe zastosowania LED obejmują zarówno oświetlenie wewnętrzne (kabina, wnęka na nogi, bagażnik), przyrządy na desce rozdzielczej czy urządzenia informacyjne i rozrywkowe, jak i sygnalizację zewnętrzną, kierunkowskazy, światła przednie i tylne, hamulcowe, wsteczne, mgielne, światła obrysowe, postojowe, a nawet do jazdy dziennej.

Niektórzy producenci samochodów do swoich nowych modeli już w 2012 roku wprowadzili światła mijania i drogowe na LED wysokiej jaskrawości. Zasilacze LED umożliwiają niekiedy zasilanie nie tylko świateł głównych. W miarę jak LED HB zyskują coraz większą sprawność energetyczną (moc świetlna pakietów LED podwaja się średnio co 18 miesięcy), a ich cena maleje, coraz częściej będą stosowane w samochodach.

Ocenia się, że dzięki znacznie mniejszemu poborowi energii w porównaniu z żarówkami stosowanie LED pozwala oszczędzać do 0,2 l paliwa na 100 km i zmniejszać emisję CO₂ o około 4 g na 1 km. W samochodach z hybrydowym napędem elektrycznym 85% tej oszczędności paliwa przekłada się na zwiększenie zasięgu pojazdu. Jest to głównie zasługa sterowania energią w scalonych zasilaczach.

Możliwości zasilaczy LED

Rys. 2. Schemat blokowy samochodowych zasilaczy-sterowników LED BD8377 i BD8105

LED sprawnie emitują światło przy zasilaniu prądem stałym, jest to więc podstawowe wymaganie dla zasilacza. Dokładność źródła prądu musi odpowiadać potrzebom użytkownika. Wahania natężenia prądu, wywoływane wahaniami napięcia zasilania w instalacji, muszą zostać wyeliminowane. Stabilizatory liniowe są proste i nie wymagają filtrów do eliminacji zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), jednakże traci się w nich zbyt dużo energii.

Zwykle używane są przetwornice obniżające DC-DC, zaś do zasilania zestawów LED w połączeniu szeregowym stosowane są przetwornice podwyższające. W niektórych przypadkach do zasilania różnych obciążeń zmieniającym się napięciem stosuje się przetwornice podwyższająco-obniżające. Zasilacze LED mogą być przystosowane do kontrolowania kombinacji LED w połączeniach szeregowych i równoległych.

Dają one projektantom obwodów możliwość zasilania różnych aplikacji z jednego zasilacza, zamiast każdej z osobnego. Upraszcza to system i testowanie poprawności jego działania. Ściemnianie poziomu oświetlenia we wnętrzach jest już normą. W niektórych przypadkach istnieje potrzeba zmieniania strumienia światła LED także świateł zewnętrznych.

Wymagania takie odnoszą się do świateł hamulcowych, tylnych, świateł dziennych oraz świateł drogowych i mijania. Efekt taki można uzyskać przy użyciu jednej LED za pomocą specjalnie przystosowanego zasilacza. Zasilacze LED, ze względu na surowe wymagania instalacji samochodowych, muszą być wyposażone w szereg obwodów ochronnych, zabezpieczających przed skutkami uszkodzeń.

Specyficzność samochodowych obwodów elektrycznych

Rys. 3. Kaskadowe połączenie zasilaczy-sterowników LED

Aplikacje motoryzacyjne podlegają surowszym niż zazwyczaj wymaganiom. Znajdują one odbicie w normach przemysłowych i specyfikacjach zakupowych. Obejmują zakresy temperatury i wilgotności, napięciowy zakres zasilania, odporność na agresywne chemikalia, zakłócenia elektromagnetyczne i wymagania kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Wymagania odpornościowe dyktowane są przez testy jakości.

Zakres napięcia zasilającego w motoryzacji rozciąga się od 9 V do 16 V (nominalnie 14 V) do ładowania akumulatorów ołowiowych 12,6 V w naturalnych temperaturach otoczenia, ale obejmuje również skrajne warunki, jak odwrócenie napięcia (-12 V), start przy podwojonym napięciu (+24 V), a także zrzut obciążenia, gdy akumulator zostaje odłączony od alternatora, czy skoki napięcia wywołane innymi przyczynami.

Nagłe skokowe odłączenie obciążenia może trwać nawet kilkaset milisekund, wywołując wzrost napięcia do ponad 80 V. Jednak obecnie producenci zasilaczy-sterowników integrują w nich obwody ochronne i przyjmuje się, że układy elektroniczne muszą znosić napięcie od 40 V do 60 V. Oprócz wymagań wysokonapięciowych układy te muszą być przygotowane na skrajne obniżanie napięcia zasilania w warunkach rozruchowych zimą.

Wysoka niezawodność motoryzacyjnych układów scalonych wymaga ich zabezpieczenia temperaturowego, nadnapięciowego, podnapięciowego, przetężeniowego, przed zamianą polaryzacji i przed zwarciami. Ich duża trwałość czasowa musi być potwierdzona ekstensywnymi testami, gwarantującymi 10 lat eksploatacji i 150 tys. km przebiegu.

Dyskretne czy scalone obwody wyjściowe?

Rys. 4. Schemat aplikacyjny samochodowego zasilacza-sterownika LED BD8381 z zewnętrznymi MOSFET-ami obwodów wyjściowych

Obwody wyjściowe mocy zasilaczy LED, w zależności od natężenia pobieranego przez LED prądu, stosuje się albo wewnętrzne (zintegrowane ze sterownikiem w ramach jednej struktury), albo w postaci tranzystorów zewnętrznych. Integracja MOSFET-a i diody w układzie scalonym zasilacza LED ma swoje zalety i wady.

Wewnętrzny tranzystor mocy oznacza redukcję liczby komponentów i oszczędność powierzchni płytki drukowanej oraz gwarancję doskonałego jego dopasowania do układu. Jednakże w razie potrzeby zasilania LED lub zespołów LED, zewnętrzny MOSFET ułatwia odprowadzanie wydzielanego w nim ciepła.

Ogólnie zasilacze LED do takich zastosowań dzielą się na trzy grupy:

• jedno- lub wielokanałowe sterowniki LED do podświetlania,
• sterowniki do pojedynczych lub równoległych LED,
• złożone sterowniki do świateł zewnętrznych.

Podświetlanie jest potrzebne przede wszystkim do wyświetlaczy (średnich i dużych) w systemach radionawigacji i centralnych wyświetlaczy informacyjnych. Do takich celów nadają się zasilacze jedno-, dwu-, trzy- i czterokanałowe obniżająco-podwyższające, które pozwala ponadto na regulację jaskrawości oraz czytelności wyświetlacza w szerokim zakresie oświetlenia otoczenia - od pełnosłonecznego, do ciemności. Trzykanałowy BD81A33 w odpornej na wysoką temperaturę obudowie SSOP28 potrzebuje jedynie kilku zewnętrznych komponentów (rys. 1).

Częstotliwość przełączania w sterownikach do podświetlania może dochodzić do 2 MHz, umożliwia to bowiem redukcję rozmiarów zewnętrznych komponentów (zwłaszcza cewki) i wyklucza EMI w paśmie AM. Napięcie zasilania rozciąga się od 4,5 V do ok. 40 V, a maksymalny prąd wyjściowy od 120 do 400 mA na kanał (zależnie od sterownika).

Maksymalna liczba LED w kanale w połączeniu szeregowym zależy od napięcia przewodzenia diod i od wstępnie określonych mechanizmów ochronnych. Zwykle można zasilać szeregowo 6-7 LED. Przy trzech kanałach wyświetlacz może być podświetlany dwudziestoma LED. Dla uniknięcia kłopotów z EMI - zwłaszcza w połączeniu z samochodowym radioodbiornikiem, jest dostępna opcja synchronizacji zewnętrznej.

Wbudowany układ detekcji stanów nienormalnych ma dwa wyjścia: defekt 1 dla wyłączeń podnapięciowego, termicznego oraz nadnapięciowego i nadprądowego. Defekt 2 sygnalizuje przegrzanie lub przerwę LED w jednym lub kilku zespołach LED. Każdy z tych kanałów sygnalizacji może zostać odłączony, co zmniejsza liczbę podzespołów w systemie.

Rys. 5. Kompletny moduł emitera świateł drogowych i mijania

W zintegrowanych sterownikach z szeregowym wejściami i równoległymi wyjściami są rejestry przesuwne, używane do kontrolowania pojedynczych połączonych równolegle LED. W celu uzyskania zgodności jaskrawości sąsiednich LED, każdy kanał może być ściemniany oddzielnie i razem z całym systemem. Inne funkcje zapewniają sterowniki 8- i 12-kanałowe, jak BD8105. BD8115 i BD8377 firmy Rohm.

Ten ostatni jest wyposażony w funkcje diagnostyczne dostosowane do wymagań europejskich. Są przeznaczone do wyświetlaczy na desce rozdzielczej, sygnalizatorów ostrzegawczych zespołów wskaźników, zwłaszcza spiętrzonych kontrolek centralnych jak HVAC. Układy te wymagają jedynie kilku zewnętrznych komponentów, co jest korzystne w konstrukcjach o małych rozmiarach. BD8377 i BD8105 (rys. 2) mają po 12 wyjść równoległych, a BD8115 8 wyjść. Maksymalny prąd wyjściowy w każdym kanale wynosi 50 mA, 150 mA w impulsie.

Sterowniki te mogą być łączone kaskadowo (rys. 3), co pozwala sterować większą liczbą (niż 8 czy 12) LED. Tranzystory wyjściowe są wyposażone w standardowe obwody ochronne z zabezpieczeniem nadnapięciowym, nadprądowym i temperaturowym. Dodatkowe funkcje diagnostyczne umożliwiają detekcję przerwy lub przegrzania w LED, odłączając niesprawny kanał do momentu usunięcia uszkodzenia i reaktywacji działania przez mikrokontroler. Układy te są umieszczane w obudowach SSOP-B20W.

Przykładowym sterownikiem świateł zewnętrznych, tylnych, postojowych i dziennych jest BD8372. Umieszczono go w obudowie HTSSOP28 i jest przeznaczony dla LED świateł przednich, a układ BD8372 dla świateł tylnych. Oba układy mogą być bezpośrednio zasilane z akumulatora napięciem do maksymalnie 50 V. Są wyposażone w opisane wyżej obwody ochronne.

Rysunek 4 pokazuje schemat aplikacyjny układu BD8381 z zewnętrznymi MOSFET-ami obwodów wyjściowych. Takie rozwiązanie umożliwia projektantowi dostosowanie parametrów tych obwodów do aplikacji o różnych natężeniach światła. Układ może być użyty do zasilania zarówno jednochipowych, jak i wielochipowych LED. Wbudowany generator PWM pozwala również na pracę bez korzystania z mikrokontrolera.

KKP