Kompatybilność elektromagnetyczna rozwiązań LED dla branży motoryzacyjnej

Wtorek, 04 sierpnia 2020 | Technika

Producenci pojazdów coraz częściej i chętniej decydują się na korzystanie z oświetlenia LED, zastępując nim tradycyjne żarówki halogenowe. Wiąże się to jednak z pewnymi ograniczeniami, związanymi m.in. z konstruowaniem systemu zasilania. To zaś przekłada się na potencjalne trudności ze spełnieniem wymagań dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń. Tekst przedstawia podstawowe pojęcia oraz rozwiązania związane z tą tematyką.

Kompatybilność elektromagnetyczna rozwiązań LED dla branży motoryzacyjnej

Systemy zasilające do oświetlenia LED muszą spełniać specyficzne wymagania dotyczące m.in. wydajności prądowej czy zakresu regulacji lub modulacji napięcia wyjściowego (np. w celu uzyskania efektu ściemniania). Klasyczne liniowe regulatory napięcia nie zawsze są w stanie zaspokoić te potrzeby, projektanci zmuszeni są zatem do korzystania z zasilaczy impulsowych SMPS (Switched Mode Power Supply), które ze względu na sposób działania charakteryzują się znacznie gorszymi parametrami dotyczącymi kompatybilności elektromagnetycznej (EMC, Electromagnetic Compatibility). Każdy zasilacz impulsowy ze względu na dużą szybkość przełączania sygnału jest źródłem szumu szerokopasmowego. Szum ten jest zazwyczaj wypromieniowywany przez przewody zasilające i inne elementy systemy działające jak pasożytnicze anteny.

Na szczęście istnieje wiele efektywnych sposobów na poprawę charakterystyki EMC sterowników oświetlenia LED – od odpowiedniej mozaiki ścieżek, poprzez właściwe rozmieszczenie komponentów, aż do modyfikacji i ulepszeń wprowadzanych w nowoczesnych konstrukcjach zasilaczy. W celu uniemożliwienia propagacji zakłóceń przewodzonych niezbędne jest umieszczenie w każdym punkcie przyłączeniowym obwodu lub układu filtrującego. Działanie takie jest jednak efektywne jedynie w przypadku braku propagacji zakłóceń promieniowanych od źródła do przewodów lub elementów filtrujących.

Projekt PCB

Podczas planowania rozłożenia komponentów na płytce PCB należy uwzględnić wiele ograniczeń i aspektów (np. dotyczących usytuowania złączy czy wymiarów obudowy), co może znacząco ograniczyć swobodę działania projektantów w zakresie rozmieszczenia układów zasilania. Wciąż jednak przestrzegać należy wytycznych i wskazówek pozwalających na poprawę kompatybilności elektromagnetycznej całego urządzenia. Jedną z podstawowych zasad jest umieszczanie zasilaczy impulsowych daleko od złącza zasilania, najlepiej (jeśli tylko jest to możliwe) po przeciwnej stronie płytki. Pozwala to na minimalizację propagacji wspomnianych już zakłóceń promieniowanych przez źródło szumu (zasilacz) do przewodów połączeniowych, będącej w efekcie głównym generatorem niepożądanego promieniowania elektromagnetycznego i problemów z EMC. Z tego samego powodu filtr wejściowy powinien być umieszczony możliwie blisko złącza zasilania, w dalszej odległości od zasilacza – pozwala to ograniczyć ryzyko wtórnej generacji na elemencie filtrującym zakłóceń przez sygnał elektromagnetyczny wypromieniowywany przez obwód zasilacza. W tzw. polu bliskim, czyli w obszarze w niewielkiej odległości od nadajnika, amplituda promieniowanego sygnału maleje proporcjonalnie do kwadratu odległości. Zatem dwukrotne wydłużenie dystansu pomiędzy poszczególnymi komponentami pozwala czterokrotnie zmniejszyć wielkość docierających do nich zakłóceń.

Rys. 1. Przykład prawidłowego projektu filtru wejściowego dla sterownika LED

Jeśli z powodu innych ograniczeń projektowych przestrzenne odseparowanie elementów systemu nie jest możliwe, rekomenduje się zastosowanie dodatkowego ekranowania układu konwersji napięć. Niektóre instalacje oświetlenia LED wymagać mogą metalowego radiatora pozwalającego na rozproszenie energii cieplnej generowanej w układzie. Radiator taki, wykonany np. w postaci miedzianej płaszczyzny, może zostać jednocześnie wykorzystany jako ekranowanie. Istnieją dwa typowe sposoby realizacji tej idei. Jeśli płaszczyzna radiatora ma dobre połączenie z masą układu (wielopunktowe, zrealizowane za pomocą szerokich ścieżek), powinna być w stanie zapewnić odpowiedni poziom ochrony bez dodatkowych zabiegów. W przeciwnym wypadku należy w miejscu połączenia ekranu z płaszczyzną masy umieścić filtr ferrytowy służący do tłumienia propagacji zakłóceń. Brak filtracji może doprowadzić do sytuacji, w której ekranowanie niemające odpowiednio efektywnego połączenia z masą zacznie działać jako antena mikropaskowa, znacząco pogarszając właściwości EMC układu.

Rys. 2. Należy dążyć do rozmieszczenia wszelkich źródeł zakłóceń jak najdalej od złączy oraz przewodów połączeniowych

Jeśli oświetlenie LED nie znajduje się w tym samym obwodzie drukowanym, co układ sterownika oświetlenia, zbyt długie przewody łączące oba te obwody mogą stać się kolejnym potencjalnym źródłem zakłóceń. Prostym rozwiązaniem tego problemu może być umieszczenie koralików ferrytowych na przewodach lub dławika zakłóceń wspólnych (CMC, common mode choke) na ich wejściu.

Na rysunku 1 pokazano przykładowy projekt filtra wejściowego dla układu sterownika LED. W przypadku konieczności eliminacji wypromieniowywanych zakłóceń o wyższej częstotliwości (od kilkudziesięciu do setek MHz) zalecane jest dodatkowe użycie podobnych układów filtrujących bezpośrednio w obwodzie oświetlenia LED (na wyjściu przewodów zasilających).

Mikołaj Przybyła

dyrektor operacyjny firmy GL Optic Polska

Jak mierzyć parametry diod LED wysokiej mocy?

W branżach profesjonalnych, np. motoryzacji, przemyśle nie ma szczegółowych zaleceń czy instrukcji jak mierzyć parametry diod LED. Dlatego stosuje się zalecenia ogólnych norm oświetleniowych oraz wypracowuje własne metody pomiarowe.

Karty techniczne diod elektroluminescencyjnych udostępniane przez producentów zawierają dane fotometryczne strumienia lub światłości oraz współrzędne kolorymetryczne x, y.

Są one wyznaczane dla temperatury złącza diody równej temperaturze otoczenia, najczęściej 25°C. W celu weryfikacji parametrów diod względem specyfikacji po montażu, niezbędny jest pomiar całego systemu oświetlenia z zachowaniem temperatury złącza określonej przez producenta w specyfikacji. Sprowadza się to do zapewnienia odpowiedniego chłodzenia, np. ogniwem Peltiera. Pomaga to poprawić powtarzalność pomiarów i umożliwia na wykonanie pomiarów parametrów użytkowych modułu LED w temperaturze zbliżonej do temperatury pracy w oprawie. Ale w przypadku zastosowania różnych rodzajów diod na module niemożliwe jest uzyskanie jednakowej temperatury wszystkich złączy na jednej płytce PCB ze względu na różne rezystancje termiczne.

Alternatywną metodą jest pomiar wykonany przy pobudzeniu LED krótkim impulsem prądowym o wartości i czasie 20–30 ms, przy której określone są parametry diody w specyfikacji technicznej (przy produkcji LED). Celem jest tutaj wykonanie pomiaru parametrów optycznych jeszcze przed nagrzaniem się złącza. Producenci diod podczas "biningu" również stosują pomiar impulsowy, co zapewnia wydajność.

Jeszcze inną wersją jest tzw. train czyli ciągłe zasilanie impulsami prądowymi przy częstotliwości na poziomie 100 Hz i szerokości impulsu poniżej 0,5 ms. Rozwiązanie takie umożliwia rejestrację kilkunastu okresów cyklu przy większych czasach pomiaru (pomocne przy pomiarach źródeł LED o dużych wartościach strumienia) i przeliczenie uzyskanej wartości przez współczynnik odpowiadający wypełnieniu przebiegu. Przy odpowiednio dobranych parametrach impulsowania wynik jest identyczny z wartością uzyskaną poprzez pomiar pojedynczego impulsu o długości 30 ms.

Prowadzenie ścieżek

Oświetlenie pojazdu jest jednym z systemów o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa, jego projekt musi zatem gwarantować zachowanie określonego poziomu jasności świecenia oraz stałości parametrów pracy. Dla spełnienia tych wymagań ważne jest nie tylko utrzymanie niskiego poziomu generacji zakłóceń, ale również zapewnienie wysokiej odporności na interferencje powodowane przez zakłócenia pochodzące z zewnątrz układu.

Rys. 3. Należy unikać prowadzenia długich ścieżek przecinających płaszczyznę masy – efektywniej jest korzystać naprzemiennie z obu warstw, minimalizując w ten sposób poziom promieniowanych zaburzeń

Większość sterowników LED pracuje jako źródła prądowe, zaś do kontroli natężenia prądu korzysta z rezystorów pełniących funkcję elementów pomiarowych, połączonych ścieżkami z wyprowadzeniami układu. Bardziej zaawansowane układy mogą być wyposażone w dodatkowe wyprowadzenia – prowadzące do nich linie mogą zbierać zakłócenia i negatywnie wpływać na efektywność pracy systemu. Należy starać się w miarę możliwość prowadzić wszystkie te ścieżki w wewnętrznych warstwach płytki PCB oraz zapewnić im ekranowanie w postaci warstwy miedzi umieszczonej w warstwach zewnętrznych.

W przypadku korzystania z płytki dwuwarstwowej należy wystrzegać się przecinania płaszczyzny masy za pomocą długich ścieżek. Tego typu wcięcia stanowią poważny błąd projektowy, którego konsekwencje mogą być szczególnie dotkliwe, jeśli przecinająca ścieżka przebiega w pobliżu układu zasilacza. Może to spowodować powstanie dodatkowej impedancji w płaszczyźnie masy oraz generację zakłóceń promieniowanych o wysokiej częstotliwości. Znacznie lepszym rozwiązaniem jest prowadzenie ścieżki krótkimi odcinkami, naprzemiennie w warstwach dolnej oraz górnej, tak jak pokazano na rysunku 3. Znacząco poprawia to parametry EMC urządzenia w zakresie wysokich częstotliwości.

Rys. 4. Zbyt bliskie rozmieszczenie przelotek może spowodować niezamierzone pogorszenie parametrów EMC układu

Podobną ostrożność zachować należy w przypadku rozmieszczania przelotek. Zbyt bliska lokalizacja większej ich liczby powoduje powstanie podobnego wycięcia w płaszczyźnie masy, tak jak pokazano na rysunku 4. Aby uzyskać poprawę parametrów EMC, należy dopilnować, aby przelotki znajdowały się w odległości wystarczającej do umieszczenia pomiędzy nimi fragmentu płaszczyzny masy.

Nowoczesne rozwiązania w konstrukcji układu zasilaczy

Producenci układów zasilaczy impulsowych od wielu lat próbują opracowywać nowe sposoby doskonalenia swoich produktów, co obejmuje również poprawę parametrów EMC. W ostatnich latach odnotowano spory postęp na tym polu. Jednym z nowych rozwiązań jest stosowanie technik rozpraszania widma, polegających na modulacji częstotliwości kluczowania zasilacza. Powoduje to rozproszenie energii generowanych zakłóceń w szerszym paśmie, znacząco obniżając szczytowe wartości emisji na pojedynczej częstotliwości.

Kolejnym z popularnych oraz skutecznych zabiegów jest umieszczanie kondensatora odsprzęgającego bezpośrednio w obudowie układu zasilacza, co redukuje poziom pasożytniczej indukcyjności w układzie, obniżając również koszt zakupu dodatkowych komponentów.

Rys. 5. Stosowanie techniki rozpraszania widma sygnału pozwala rozłożyć tę samą moc zakłóceń w szerszym paśmie częstotliwości, znacząco poprawiając parametry EMC układu

Podsumowanie

Stosowanie oświetlenia LED pozwala znacząco poprawić osiągi pojazdu w dziedzinie bezpieczeństwa, ułatwia również projektowanie interfejsów użytkownika oraz otwiera nowe możliwości w aspekcie wizualnym projektów pojazdów. Nowoczesne rozwiązania LED muszą cechować się dużym stopniem elastyczności, utrzymując przy tym wysoką niezawodność oraz zgodność z wymaganiami dotyczącymi kompatybilności elektromagnetycznej. Systemy sterowania oświetleniem rozmieszczane są zazwyczaj na płytkach PCB niewielkich rozmiarów, dlatego szczególnego znaczenia dla spełnienia wymagań EMC nabiera w ich przypadku właściwe rozłożenie komponentów oraz poprowadzenie ścieżek. Poprawę właściwości uzyskać można również poprzez dobór odpowiedniego układu zasilacza, charakteryzującego się obniżonym poziomem emisji elektromagnetycznej.

Damian Tomaszewski