Автомобильная промышленность широко использует светодиодные драйвера в фарах, тормозных и габаритных огнях, а также для работы указателей поворота. При этом яркость светодиодов не одинакова, а зависит от конкретного применения.
Я думаю, не стоит упоминать, что светодиоды работают с разной степенью яркости, например, при торможении автомобиля задние огни горят на полную яркость, а при включенном свете фар всего на 10% — 25%. Для реализации различных степеней свечения светодиодов используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ), которая изменяет ширину импульса тока, подводимого к диоду.
ШИМ принята в качестве предпочтительного метода для уменьшения яркости светодиодов без потери качества освещения. Важным аспектом системы управления освещением является управление питанием, обеспечиваемое драйверами интегральной схемы (ИС) в нескольких конфигурациях, таких как топология buck и buck-boost. Легкость управления светодиодами делает их интеллектуальными системами освещения.
Особенности светодиодных драйверов
Для обеспечения равномерной яркости свечения светодиода необходим постоянный ток. Отсутствие колебаний питающего напряжения – один из основных параметров при проектировании драйвера управления. Поэтому нужно строго учитывать колебания, возникающие при питании транспортного средства. Кроме того, необходим учет и других не менее важных параметров как температура, влажность, электромагнитные помехи, совместимость и диапазон рабочих напряжений, а также требования к надежности, подтвержденные профессиональными испытаниями.
Задержка, драйвера светодиода на сигнал ШИМ. Эти задержки приводят к появлению коэффициента контрастности системы. Здесь tD представляет задержку распространения светового потока от момента, когда VDIM (сигнал ШИМ) поднимается до уровня, когда начинает протекать If (прямой ток), управляющий светодиодом (tSU и tSD — это время нарастания прямого тока светодиода и время спадания, соответственно). DMIN и DMAX — это минимальный и максимальный рабочий цикл.
Высокие требования к надежности автомобильной электроники указывают на то, что интегральные схемы играют далеко не последнюю роль в защите светодиодных драйверов, например, защита от низкого и высокого напряжения, обратной полярности, перегрузки по току, коротких замыканий, высоких и низких температур и прочих факторов, которые не входят в нормальный рабочий цикл. Условия эксплуатации в автомобилях не самые легкие, поэтому для надежной работы освещения необходимы определенные схемы защиты. Также устройства должны поддерживать надежную работу в расширенном диапазоне температур и влажности, а также быть способными выдерживать постоянные вибрации.
Функция регулирования яркости внутреннего освещения является обычным требованием. Для внешнего освещения также есть требования к яркости освещения, например, дальний и ближний свет фар, стоп сигналы. В некоторых случаях возможна интеграция одного и того же драйвера светодиодов как во внутреннее, так и во внешнее освещение.
Как правило, драйверы разрабатываются с уже встроенным ШИМ регулятором яркости. Во многих микросхемах используется ШИМ генератор для определения циклов включения и отключения драйвера. Ключевым фактором в технике ШИМ является частота fDIM — минимальное значение этой частоты определяется чувствительностью глаза к мерцанию. Снижение fDIM обычно способствует более высокому коэффициенту контрастности, выраженному как обратное минимальному времени (рисунок выше).
Топологии драйвера
Светодиоды требуют постоянного тока для поддержки нормального освещения. Поэтому драйвер LED должен иметь возможность изменять выходное напряжение для поддержания постоянного тока. Выходное напряжение связано со многими параметрами, такими как температура светодиодной матрицы и количество последовательно включенных светодиодов. Разработчик должен быть в состоянии с высокой точностью предсказать максимальное выходное напряжение, чтобы выбрать оптимальную топологию регулятора и, следовательно, драйвер ИС и связанные с ним компоненты.
Правильно подобранный источник питания обеспечивает высококачественное освещение с максимальной эффективностью преобразования (в пересчете на люмен на ватт), что продлевает срок службы светодиодов. Качество получаемого света определяется прежде всего стабильностью интенсивности света, которая требует точной регулировки тока с постоянными рабочими точками во всех диапазонах напряжений и температур. Может быть полезным использование драйверов со встроенными или внешними транзисторами, в зависимости от мощности указанных светодиодов. Однако, интеграция MOSFET транзисторов для светодиодного драйвера уменьшает количество внешних компонентов, тем самым экономя пространство на плате и упрощая схему.
Энергия накапливается в катушке индуктивности конструкции преобразователя, при этом выходное напряжение всегда ниже входного.
Драйвер светодиода можно разделить на три категории: линейные регуляторы, зарядные с конденсатором, драйвер переключения, характеризуемый индуктором (реактивный электронный компонент). Последние нашли широкий диапазон применений благодаря своей гибкости и постоянно растущей эффективности. Кроме того, они допускают прием широкого диапазона входного напряжения и могут быть электрически изолированы для работы при высоких температурах.
Линейные регуляторы обеспечивают простое управление и не требуют фильтров. Тем не менее, их рассеиваемая мощность слишком большая для мощных приложений. Переключение драйверов осуществляется в четырех вариантах: buck, boost, buck / boost и несимметричного преобразователя первичной индуктивности (SEPIC).
Как и в обычном коммутаторе, переключатель управляет передачей энергии. Выходное напряжение идеального преобразователя (рисунок выше) зависит от времени цикла переключения и напряжения питания. Повышающий преобразователь состоит из четырех основных элементов: индуктора, выключателя питания (MOSFET, IGBT), диода и конденсатора.
Конфигурация «buck-boost» (рисунок ниже), которая использует катушку индуктивности, подключенную параллельно источнику напряжения, дает преимущество с точки зрения гибкости. Топология преобразователя SEPIC представляет собой преобразователь с понижающим / повышающим напряжением без инвертированного напряжения. Это требует дополнительного индуктора и блокирующего конденсатора, что является недостатком этой конструкции.
Катушка индуктивности, которая разряжается через диод, подает ток на нагрузку в данном повышающем напряжение преобразователе.
В зависимости от того, является ли светодиодное приложение автомобильным или общего назначения, использование многотопологического светодиодного драйвера с максимальной гибкостью диапазона входного и выходного напряжения, что упрощает его выбор. Диапазон напряжений для автомобильного освещения составляет от 9 до 16 В (номинальное 14 В) и включает в себя защиту от экстремальных условий, таких как изменение полярности батареи (-12 В), сброс нагрузки (возникает, когда аккумулятор отсоединен от генератор переменного тока) и другие переходные напряжения.
Среди других достоинств, конфигурации SEPIC buck-boost обеспечивают постоянную яркость различных напряжениях батареи. Когда возникает необходимость контролировать несколько светодиодов последовательно, топология buck-boost может решать множество прикладных задач, включая возможность управлять крайними значениями напряжения.
В некоторых автомобильных применениях наружного освещения матрица или матрица светодиодов может быть расположена на расстоянии от драйвера / контроллера. В этих случаях повышающий преобразователь может быть более подходящим выбором. Тщательный выбор регулятора «buck» может обеспечить частоту диммирования ШИМ в диапазоне килогерц. Хотя эта функция, возможно, не нужна для традиционного освещения, она может быть эффективной в таких приложениях, как высокоскоростной стробоскопический эффект для операций распознавания (визуализации) в промышленном и автомобильном секторах.
SEPIC похож на традиционный buck-boost преобразователь, но имеет преимущество неинвертированного выхода (выходное напряжение имеет одинаковую полярность с входным напряжением) и развязки между входом и выходом (обеспечиваются последовательным конденсатором).
Светодиоды улучшают «качество вождения»
Светодиодное освещение и другие вторичные оптические решения значительно повышают безопасность дорожного движения просто благодаря лучшему освещению дороги. Характеристики светодиодов — высокая производительность, высокая яркость и низкое тепловыделение — являются основными характеристиками идеального решения для автомобильного освещения.
Поскольку на сцену выходят новые технологии освещения, новые технологии светодиодных драйверов для внутреннего и внешнего освещения помогают создать дополнительный уровень комфорта в огромном диапазоне транспортных средств. Целью является обеспечение линейного светодиодного затемнения с большим коэффициентом контрастности. Правильный процесс эксплуатации заключается в том, чтобы управлять светодиодами на рекомендованном изготовителем прямом токе / напряжении.
Выводы
Светодиоды уверенно отвоевывают свою часть автомобильного рынка в области освещения благодаря длительному сроку службы и удобству регулирования яркости. Более полная интеграция SoCs продолжит уменьшать размеры микросхем драйверов, что приведет к более быстрым циклам разработки продукта и более точному управлению функциями освещения.
По оценкам различных специалистов, рынок светодиодных драйверов в ближайшем будущем будет иметь среднегодовой темп роста (CAGR) около 27%. Основные факторы, обусловившие подъем рынка светодиодных драйверов, включают в себя большую эффективность, проявляемую схемами управления питанием и высокий спрос на светодиоды в коммерческих и промышленных приложениях.
