Provocări legate de managementul puterii în aplicațiile de iluminat din industria auto

3 APRILIE 2019

Proliferarea modulelor LED în automobile stabilește noi cerințe în hardware-ul sistemelor, inclusiv reducerea dimensiunii componentelor pentru se potrivi electronicii adiționale în același spațiu, îmbunătățirea eficienței energetice pentru a opera într-un buget termic similar sau mai redus, arhitecturi flexibile conectate ce suportă configurații multiple și control precis pentru a păstra caracteristicile luminii LED. Acest articol trece în revistă provocările pentru componentele electronice LED în industria auto și prezintă câteva exemple asupra modalității în care poate ajuta un management energetic eficient.

Introducere
LED-urile intră în industria auto ca o furtună datorită avantajelor pe care le oferă față de tehnologiile tradiționale și gamei variate de aplicații auto la care se pretează (Figura 1).
Modulele de iluminare frontală au tendința să necesite puteri mai ridicate (mai mult de 100W), utilizând drivere în comutație cu randament ridicat. Luminile din spate și alte sisteme de iluminare de exterior au nevoie de o putere mai scăzută, uneori suficient de redusă pentru a permite utilizarea de drivere liniare simple. Claritatea superioară a luminii albe în farurile cu LED îmbunătățește timpul de reacție al șoferului. Sistemele de iluminare frontală adaptive (AFS), ce au fost făcute posibile de matricele de LED-uri, produc schimbări rapide și complexe ale modelelor de lumină, care îmbunătățesc vizibilitatea pentru șofer în cazul condițiilor slabe de iluminare. Noaptea, ca răspuns la fascicolul luminos al unui autoturism ce vine din sens opus, AFS poate schimba automat modelul de iluminare, prevenind ca șoferii să fie orbiți de condițiile dure de iluminare.
Timpul de pornire a iluminării cu LED-uri este de două ori mai rapid față de sursele cu incandescență, permițând ca luminile de frână bazate pe LED-uri să pornească mai rapid, oferind o avertizare avansată pentru șoferi și crescând siguranța traficului rutier. În final, LED-urile consumă mai puțină energie decât componentele similare cu incandescență, conducând la avantaje substanțiale în consumul de combustibil. Controlerele LED joacă un rol important în păstrarea și îmbunătățirea calităților LED-urilor, și anume claritate, viteză și eficiență.

Figura 1: Mașină modernă cu iluminare cu LED-uri

Alimentarea LED-urilor
LED-urile au numeroase aplicații auto și sunt utilizate în diferite configurații, de la un sigur LED la un șir de matrice de LED-uri. LED-urile de înaltă strălucire (HB) necesită un curent constant pentru a oferi perfor­manțe optime. Curentul se corelează cu temperatura joncțiunii și de aici și culoarea. În conformitatea cu acest lucru, LED-urile HB trebuie comandate în curent, nu în tensiune. Sursa de energie poate fi în plaja de la 12V ai bateriei mașinii, până la 60V oferiți de un convertor ridicător de tensiune pentru a putea fi alimentate șiruri lungi de LED-uri. Vehi­culele care implică o tehnologie start/stop au de-a face cu căderi mari ale tensiunii de pe baterie atunci când motorul pornește, provocând căderea tensiunii bateriei mult sub valoarea tipică de 12V, uneori chiar la 6V sau mai puțin.

Figura 2: Far pe bază de LED-uri

Provocările
Proliferarea modulelor LED în automobile conduce la noi cerințe asupra hardware-ului sistemului inclu­zând: reducerea dimensiunii componentelor pentru a se potrivi electronicii adiționale în același spațiu, îmbunătățirea eficienței energetice pentru a opera într-un buget termic similar sau mai redus, arhitecturi flexibile conectate ce suportă configurații multiple și control precis pentru a păstra caracteristicile luminii LED.
În următoarele secțiuni ne vom adresa provocărilor pentru următoarele aplicații:

1. Lumini frontale de mare putere
2. Lumini frontale de putere joasă / medie
3. Camere în infraroșu (IR) pentru sisteme de monitorizare șofer (DMS)
4. Lumină spate și alte sisteme de iluminare de exterior

Soluțiile
Iluminare frontală de mare putere
LED-urile de mare putere devin foarte populare în proiectarea luminilor frontale auto (Figura 2) mulțumită caracteristicilor superioare și randamentului. Electronica utilizată pentru LED-uri trebuie în schimb să fie rapidă, eficientă și precisă pentru controlul intensității luminoase, direcției și focusării. Ea trebuie să asigure suport pentru o gamă largă de tensiuni de intrare și trebuie să ope­reze în afara benzii de frecvență radio AM, pentru a evita interferența electromagnetică (EMI). Electronica trebuie, de asemenea, să asigure suport pentru modelele de iluminare complexe cerute pentru matricele LED pentru AFS.

Reglarea este o funcție omniprezentă în numeroase aplicații auto și o caracteristică importantă de siguranță pentru farurile cu LED-uri. Ochiul uman abia poate detecta un reglaj de la 100% la 50%. Reglarea trebuie să poată să ajungă la 1% sau mai puțin pentru a fi în mod clar distinsă. Având acest lucru în minte, nu este surprinzător faptul că reglarea este specificată printr-un raport de 1000:1 sau mai ridicat. Ținând cont că ochiul uman, în condiții potrivite, poate detecta un singur foton, nu există practic limite ale acestei funcții. De vreme ce curentul trebuie păstrat constant pentru a păstra culoarea, cea mai bună strategie de reglare pentru LED-uri este PWM (modulare în lățimea pulsului), unde intensitatea luminoasă este modulată prin secvențierea curentului și nu pe schimbarea amplitudinii. Frecvența PWM trebuie păstrată peste 200Hz pentru a preveni clipirea LED-ului.  Cu reglarea prin PWM, limita timpului minim de LED “pornit/oprit” este timpul pe care îl ia curentului să crească/scadă în rampă în inductorul din circuitul stabilizator în comutație. Acest lucru poate să ia până la zeci de microsecunde ca timp de răspuns, ceea ce este prea lent pentru aplicațiile de clustere pentru faruri cu LED-uri care necesită modele de reglare rapide și complexe. Reglarea în acest caz poate fi realizată numai prin comutația individuală on/off a fiecărui LED în șir, cu ajutorul unor comutatoare MOSFET dedicate (SW1-K în Figura 3). Provocarea pentru bucla de control curent este de a fi suficient de rapidă pentru a reveni repede din tensiunea de ieșire tranzitorie datorită comutării in/out a diodei.

Figura 3: Sistem avansat de iluminare cu LED

Pentru a fi mai eficient, controlerul LED trebuie să beneficieze de o plajă largă de tensiune de intrare și trebuie să aibă un răspuns tranzitoriu rapid după cum s-a discutat anterior. O frecvență de comutație ridicată, bine controlată, în afara benzii de frecvență AM, este necesară pentru a reduce interferența frecvenței radio și pentru a răspunde standardelor EMI. În cele din urmă, randamentul ridicat reduce generarea de căldură, îmbunătățind siguranța în funcționare a sistemului de iluminare cu LED-uri.
Sistemele de faruri complexe utilizează un convertor ridicător de tensiune ca element final de gestionare atât a variabilității tensiunii de intrare, cât și a emisiilor EMI. Convertorul ridicător de tensiune furnizează o tensiune de ieșire suficient de ridicată și bine stabilizată (Figura 3). Convertoarele coborâtoare de tensiune dedicate, operând de la această sursă de intrare stabilă, pot gestiona complexitatea controlului intensității becului și poziției, permițând fiecărui convertor coborâtor de tensiune să controleze o singură funcție, precum lumini de rulare pe timp de zi (DRL), fază lungă, scurtă, ceață, poziție etc. Diode individuale sunt comutate prin mana­gerul matriceal de comutație, permițând o iluminare adaptivă la nivel de pixeli.
În această aplicație, fiecare buclă de control a conver­torului coborâtor de tensiune stabilește curentul în propriul șir LED, cu două bucle secundare care implementează protecție la supratensiune și supracurent. O soluție ideală ar trebui să respecte cerințele unui domeniu larg de tensiuni de intrare, răspuns tranzitoriu rapid, frecvență de comutație ridicată și bine controlată, toate împreună cu un randament ridicat cu rectificare sincronă. Controlerul LED coborâtor de tensiune MAX20078 permite o astfel de soluție.
Controlerul LED sincron, coborâtor de tensiune cu SPI, cu canal n, MAX20096, integrează două canale într-un singur circuit integrat, reducând amprenta soluției și lista de materiale necesare. Managerul de comutație cu 12 matrice poate fi implementat cu MAX20092. Circuitul integrat prezintă o interfață serială periferică (SPI) pentru comunicație serială. MAX20092 este un dispozitiv de tip sclav care utilizează SPI pentru a comunica cu un microcontroler extern (μC), care este dispozitivul de tip stăpân (master). Fiecare dintre cele 12 comutatoare pot fi programate independent.
Convertorul ridicător de tensiune din Figura 3 este implementat cu controlerele SEPIC ridicătoare de tensiune, pentru industria auto, MAX16990/ MAX16992, 36V, 2.5MHz.

Figura 4: Sistem tipic de control LED ridicător de tensiune

Lumini frontale de putere medie/mică
În sistemele de faruri de medie/joasă putere, funcțiile farurilor de fază lungă și fază scurtă sunt realizate prin circuite integrate mai simple, cu o singură funcție.
O astfel de arhitectură ce poate opera cu o serie de LED-uri, utilizează un convertor ridicător de tensiune. În circuitul integrat controler ridicător de tensiune din Figura 4, una dintre cele trei bucle de reacție (BUCLĂ DE CURENT) asigură un control strâns al curentului de ieșire. Celelalte două bucle de reacție asigură protecție la supratensiune (BUCLĂ OVP) și protecție la supracurent (BUCLĂ OCP) pentru un șir de 12 diode, care creează 42 de volți pe șir (3.5V pe LED).
Suplimentar controlului de curent și tensiune, circuitul integrat trebuie echipat cu toate caracteristicile anterior descrise (reglare luminozitate, spectru larg etc.). Detecția curentului din partea superioară (prin rezistențele R3 și RS) este solicitată pentru protecția sistemului LED în cazul unor scurtcircuite de la ieșire la masă sau intrarea bateriei.
Ideal, un controler LED trebuie să aibă o arhitectură flexibilă care să suporte configurații multiple, care implementează diferite funcții. A fost discutată configurația ridicătoare de tensiune, dar trebuie, de asemenea, configurația coborâtoare/ridicătoare de tensiune. O astfel de configurație este necesară dacă șirul de diode este scurt, de exemplu cu două sau trei LED-uri (7V sau 10.5V), de la o baterie care poate varia de la mai puțin de 6V (pornire la rece) până la 16V. Dacă se are în vedere izolarea intrare-ieșire, atunci soluția potrivită ar putea fi un SEPIC (curent de ieșire discontinuu) sau un convertor de tip Chuck (curent de ieșire continuu). Un controler unic ce suportă multe arhitecturi are avantaje clare economice, de scalare și de ușurință de reutilizare.
Ca exemplu, MAX20090 este un controler foarte flexibil pentru comanda LED-urilor, permițând configurații în mod ridicător de tensiune, coborâtor de tensiune în parte superioară, mod SEPIC sau mod ridicător/coborâtor de tensiune.

Figura 5: Soluție de driver IR-LED

Figura 6: Driver liniar pentru zgomot redus

Cameră IR pentru sisteme de monitorizare șofer (DMS)
Camerele cu infraroșu (IR), ce utilizează o diodă IR-LED în combinație cu un senzor CMOS, ajută la recunoașterea micro-adormirii periculoase ce îi afectează pe conducătorii auto. Avantajul utilizării luminii infraroșii este invizibilitatea pentru ochiul uman și abilitatea sa de a opera zi și noapte. Informațiile furnizate în urma procesării/analizării imaginii vor determina dacă șoferul este obosit sau distras. Cu o tensiune tipică de 2.8V și un curent direct de 1A, electronica ce comandă LED-ul este direct conectată la baterie. Ca exemplu, driverul LED coborâtor de tensiune MAX20050 este o soluție ideală (Figura 5). Complet sincron, convertorul coborâtor de 2A, integrează două MOSFET-uri cu rezistență tipică RDS(ON) redusă de 0.14Ω (tipic), asigurând randamente ridicate de până la 95%. Cu domeniul său de tensiune de alimentare de la 4.5V la 65V, MAX20050 poate cu ușurință rezista în cazul descărcării bateriei, făcându-l ideal ca buck convertor (coborâtor) de tensiune în aplicații DMS.
Pentru putere mai mare, poate fi utilizat controlerul LED sincron, coborâtor de tensiune, MAX20078. Pentru aplicații de tensiune mai mare, o alegere excelentă poate fi controlerul HB LED de tensiune ridicată, MAX20090.

Lumini spate sau alte sisteme de iluminare de exterior
Iluminarea spate și celelalte sisteme de iluminare de exterior precum stopurile, luminile de la mânerele ușilor etc., necesită mai puțină putere și pot fi gestionate prin circuite integrate cu o singură funcție. Aici, circuitul MAX20090 poate fi utilizat ca boost controler LED (ridicător) de tensiune pentru șiruri lungi ce necesită tensiuni peste tensiunea minimă a bateriei sau ca stabilizator ridicător de tensiune. Convertorul coborâtor de tensiune MAX20050 poate comanda șiruri scurte de diode conectate direct la baterie. Alternativ, poate comanda șiruri lungi de diode cu ajutorul unui convertor ridicător de tensiune.

Pentru aplicații sensibile la zgomot, poate fi utilizat un driver LED liniar. Driverul LED cu trei canale MAX16823 (Figura 6) operează într-un domeniu al tensiunii de intrare de la 5.5V la 40V și furnizează până la 100mA pe canal pentru unul sau mai multe șiruri de LED-uri HB. Curentul pe fiecare canal este programabil utilizând o rezistență de detecție curent externă în serie cu LED-urile. Trei intrări DIM permit o gamă largă comenzi de reglare prin pulsuri, asigurând controlul on și off al ieșirilor. Circuitul de modelare a undelor reduce EMI, oferind și timpi mici de pornire și oprire.
Tabelul de mai jos reprezintă un sumar al aplicațiilor de comandă LED-uri pentru industria auto și soluțiile propuse pentru acestea.

Concluzie
Proliferarea modulelor LED în automobile stabilește noi cerințe în hardware-ul sistemelor, inclusiv redu­cerea dimensiunii componentelor pentru se potrivi electronicii adiționale în același spațiu, îmbunătățirea eficienței energetice pentru a opera într-un buget termic similar sau mai redus, arhitecturi flexibile conectate ce suportă configurații multiple și control precis pentru a păstra caracteristicile luminii LED.
Acest articol a parcurs provocările întâlnite în proiectarea de sisteme de iluminare frontale de mare putere, de putere medie/mică, camere IR utilizate în DMS, precum și sisteme de iluminare spate și alte sisteme de iluminare de exterior. În fiecare caz, a fost prezentată o soluție de management ener­getic optimă bazată pe aplicație.

Resurse
Pagini Web
• Iluminare auto

Soluții de proiectare
Achieve Superior Automotive Exterior Lighting with a High-Power Buck LED Controller
Improve Matrix Lighting with the Next Generation of LED Controllers
Flexible LED Controller Simplifies Automotive Exterior Lighting Design

Blog-uri
Driving Greater Performance and Safety from Advanced Automotive Lighting

Despre autori:
Nazzareno (Reno) Rossetti este expert în electronică analogică și management energetic la Maxim Integrated. El este autorul mai multor publicații și deține câteva patente în domeniul menționat. Reno și-a urmat studiile doctorale în inginerie electrică la Politecnico di Torino, Italia.
Yin Wu, MBA, MSEE la Maxim Integrated, este specializat în afaceri în industria semiconductoarelor. El deține un Master în administrarea afacerii la Santa Clara University și un Master în Inginerie Electrică la San Jose State University.

Maxim Integrated
www.maximintegrated.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre