자동차 LED 드라이버 회로 – 설계 분석

자동차 나 자동차에서 LED는 선호되는 조명으로 성장했습니다. 아래 그림 1에 표시된 것처럼 후면 미등이든 클러스터의 텔 테일 표시등이든 오늘날에는 모두 LED가 통합되어 있습니다. 컴팩트 한 크기는 디자인의 다양성을 돕고 차량의 기대 수명만큼 내구성을 제공합니다.

그림 # 1

반면 LED는 고효율 장치이지만 특히 열악한 자동차 생태계에서 규제되지 않은 전압, 전류 및 온도 매개 변수로 인한 열화에 취약합니다.

LED 조명 효율과 영속성을 높이기 위해 LED 드라이버 회로 설계 신중한 분석이 필요합니다.

LED 드라이버로 적용되는 전자 회로는 기본적으로 트랜지스터를 사용합니다. LED 드라이버에서 자주 사용되는 하나의 표준 회로 토폴로지는 트랜지스터가 선형 영역 내에서 작동하도록 설계된 선형 토폴로지입니다.

이 토폴로지는 우리에게 트랜지스터만을 통한 드라이버 회로 또는 내장 트랜지스터와 추가 LED 향상 기능이있는 특수 IC를 사용합니다.

이산 애플리케이션에서는 접근성이 높은 상품 인 BJT (Bipolar Junction Transistor)가 선호되는 경향이 있습니다.

회로 관점에서 BJT를 구성하기가 간단하다는 사실에도 불구하고 전체적으로 몇 가지 중요한 전제 조건 인 전류 제어 정확도, PCB 치수, 열 관리 및 오류 진단을 충족하는 전체 LED 드라이버 솔루션을 만드는 동안 큰 문제가 발생할 수 있습니다. 전체 작동 공급 전압 및 온도 범위.

또한 LED 수량 증가 , 개별 BJT 스테이지를 사용하는 회로 설계가 더욱 정교 해집니다.

개별 부품과 비교하여 적용 IC 기반 대안 회로 레이아웃과 관련하여 더 편리해 보이지만 추가로 설계 및 평가 절차가 필요합니다.

그 외에도 일반적인 치료법이 아마도 훨씬 더 저렴할 수 있습니다.

자동차 LED 드라이버 설계를위한 매개 변수

따라서 LED 드라이버 회로를 설계 할 때 자동차 조명 응용 프로그램에서 LED 초점을 고려하고 회로 설계 대안을 평가하고 시스템 요구 사항을 고려하는 것이 필수적입니다.

LED는 실제로 P 형 N 형 (PN) 접합 다이오드로, 전류가 한 방향으로 만 통과 할 수 있습니다. LED 양단의 전압이 최소 순방향 전압 (VF)에 도달하자마자 전류가 흐르기 시작합니다.

LED의 조도 또는 밝기는 순방향 전류 (IF)에 의해 결정되는 반면 LED가 소비하는 전류의 양은 LED에 적용되는 전압에 따라 달라집니다.

LED 밝기와 순방향 전류 IF가 선형 적으로 관련되어 있더라도 LED 전체의 순방향 전압 VF가 약간 증가하더라도 LED의 전류 유입이 급격히 증가 할 수 있습니다.

색상 사양이 다른 LED는 특정 반도체 성분으로 인해 VF 및 IF 사양이 다릅니다 (그림 2). 특히 단일 회로 내에서 서로 다른 색상의 LED를 적용하는 동안 각 LED의 데이터 시트 사양을 고려해야합니다.

그림 # 2

예를 들어, 빨강-녹색-파랑 (RGB) 조명 , 빨간색 LED는 순방향 전압 정격이 약 2V 인 반면 파란색 및 녹색 LED의 경우 동일한 정격이 약 3 ~ 4V 일 수 있습니다.

단일 공통 전압 공급 장치에서 이러한 LED를 작동하고 있다는 점을 고려할 때 잘 계산 된 전류 제한 저항 컬러 LED 각각에 대해 LED 성능 저하를 방지합니다.

열 및 전력 효율성

공급 전압 및 전류 매개 변수 외에도 온도 및 전력 효율성은 신중한 분석이 필요합니다. LED에 적용되는 대부분의 전류는 LED 조명으로 변환되지만, 소량의 전력이 장치의 PN 접합 내에서 열로 바뀝니다.

LED 접합부에서 생성 된 온도는 다음과 같은 몇 가지 외부 매개 변수에 의해 심각한 영향을받을 수 있습니다.

• 대기 온도 (TA)에 의해
• LED 접합부와 주변 공기 (RθJA) 사이의 열 저항에 의해
• 그리고 전력 손실 (PD)에 의해.

다음 방정식 1은 LED의 전력 손실 사양 PD를 보여줍니다.

PD = VF × IF ------------ Eq # 1

위의 도움으로 LED의 접합 온도 (TJ)를 계산하는 다음 방정식을 추가로 유도 할 수 있습니다.

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

최악의 시나리오 문제와 관련하여 정상적인 작업 조건뿐만 아니라 설계의 절대 최대 주변 온도 TA에서도 TJ를 결정하는 것이 중요합니다.

LED 접합 온도 TJ가 증가하면 작업 효율이 저하됩니다. LED의 순방향 전류 IF 및 접합 온도 TJ는 파괴로부터 보호하기 위해 데이터 시트에 분류 된대로 절대 최대 정격 미만으로 유지되어야합니다 (그림 3).

그림 # 3

LED 외에도 특히 개별 구성 요소의 양이 증가함에 따라 저항 및 BJT 및 연산 증폭기 (op amp)와 같은 구동 요소의 전력 효율성도 고려해야합니다.

드라이버 스테이지의 부적절한 전력 효율성, LED 온 시간 및 / 또는 주변 온도 이러한 모든 요인은 장치의 온도 상승으로 이어지고 BJT 드라이버의 전류 출력에 영향을 미치며 LED의 VF 강하를 감소시킬 수 있습니다. .

온도 상승이 LED의 순방향 전압 강하를 줄임에 따라 LED의 전류 소비율이 상승하여 전력 손실 PD 및 온도가 비례 적으로 증가하며, 이는 LED의 순방향 전압 강하 VF를 더욱 감소시킵니다.

'열 폭주 (thermal runaway)'라고도하는이 온도의 지속적인 상승주기는 LED가 최적의 작동 온도 이상으로 작동하도록하여 급속한 성능 저하를 일으키고 IF 소비 수준이 증가하여 장치의 일부 지점에서 고장을 일으 킵니다. .

선형 LED 드라이버

트랜지스터 또는 IC를 통해 LED를 선형으로 작동하는 것은 실제로 매우 편리합니다. 모든 가능성 중에서 LED를 제어하는 ​​가장 간단한 방법은 일반적으로 공급 전압 소스 (VS)에 바로 연결하는 것입니다.

올바른 전류 제한 저항을 사용하면 장치의 전류 소비를 제한하고 LED의 정확한 전압 강하를 수정합니다. 직렬 저항 (RS) 값을 계산하는 데 다음 방정식 3을 사용할 수 있습니다.

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

그림 # 4를 참조하면 3 개의 LED가 직렬로 사용되는 것을 볼 수 있으며, 3 개의 LED에 걸친 전체 전압 강하 VF는 VF 계산에서 고려되어야합니다 (LED의 순방향 전류 IF는 일정하게 유지됨).

그림 # 4

이것이 가장 간단한 LED 드라이버 구성 일 수 있지만 실제 구현에서는 실용적이지 않을 수 있습니다.

전원 공급 장치, 특히 자동차 배터리는 전압 변동에 민감합니다.

공급 입력이 약간 증가하면 LED가 더 많은 양의 전류를 끌어와 결과적으로 파괴됩니다.

또한 저항기의 과도한 전력 손실 PD는 장치 온도를 증가시켜 열 폭주를 일으킬 수 있습니다.

자동차 애플리케이션을위한 개별 정전류 LED 드라이버

정전류 기능을 사용하면 향상된 전력 효율적이고 안정적인 레이아웃을 보장합니다. LED를 작동하는 가장 일반적인 기술은 켜기 및 끄기 스위칭을 통하기 때문에 트랜지스터는 잘 조절 된 전류 공급을 가능하게합니다.

그림 # 5

위의 그림 5를 참조하면 LED 구성의 전압 및 전류 사양을 기반으로 BJT 또는 MOSFET으로 이동할 수 있습니다. 트랜지스터는 저항에 비해 더 큰 전력을 쉽게 처리 할 수 ​​있지만 전압 상승 및 하강 및 온도 변화에 민감합니다. 예를 들어 BJT 주변의 전압이 상승하면 전류도 비례 적으로 증가합니다.

추가적인 안정성을 보장하기 위해 이러한 BJT 또는 MOSFET 회로를 사용자 정의하여 공급 전압의 불균형에도 불구하고 정전류를 제공 할 수 있습니다.

LED 전류 소스 설계

그림 6 ~ 8은 몇 가지 전류 소스 회로 그림을 보여줍니다.

그림 6에서 제너 다이오드는 트랜지스터의베이스에 안정적인 출력 전압을 생성합니다.

전류 제한 저항 RZ는 제어 된 전류를 보장하여 제너 다이오드가 올바르게 작동하도록합니다.

제너 다이오드 출력은 공급 전압의 변동에도 불구하고 일정한 전압을 생성합니다.

이미 터 저항 RE에 대한 전압 강하는 제너 다이오드의 전압 강하를 보완해야하므로 트랜지스터는 LED를 통과하는 전류가 항상 일정하게 유지되도록 콜렉터 전류를 조정합니다.

연산 증폭기 피드백 사용

아래 그림 7에는 이상적인 자동차 LED 컨트롤러 회로를 만들기위한 피드백 루프가있는 연산 증폭기 회로가 나와 있습니다. 피드백 연결은 음의 입력에서 발생 된 전위가 양의 기준 입력과 동일하게 유지되도록 출력이 자동으로 조정되도록합니다.

제너 다이오드는 연산 증폭기의 비 반전 입력에서 기준 전압을 생성하도록 클램핑됩니다. LED 전류가 미리 결정된 값을 초과하는 경우 감지 저항기 RS에 비례적인 양의 전압이 발생하여 제너 기준 값을 초과하려고 시도합니다.

이로 인해 연산 증폭기의 네거티브 반전 입력 전압이 포지티브 기준 제너 값을 초과하므로 연산 증폭기 출력이 강제로 꺼져 LED 전류와 RS 양단의 전압이 감소합니다.

이 상황은 다시 연산 증폭기 출력을 다시 켜고 LED를 활성화하며 연산 증폭기의 자체 조정 동작은 LED 전류가 계산 된 안전하지 않은 수준을 초과하지 않도록 무한히 계속됩니다.

위의 그림 8은 두 개의 BJT를 사용하여 수행 된 피드백 기반 설계를 보여줍니다. 여기서 전류는 R1을 통해 흐르고 트랜지스터 Q1을 ON으로 전환합니다. 전류는 R2를 통해 계속 이동하여 LED를 통해 정확한 양의 전류를 고정합니다.

R2를 통과하는이 LED 전류가 미리 결정된 값을 초과하려고하면 R2 양단의 전압 강하도 비례 적으로 증가합니다. 이 전압 강하는 트랜지스터 Q2의베이스-이미 터 전압 (Vbe)까지 상승하는 순간 Q2가 켜지 기 시작합니다.

스위치가 켜지면 Q2는 이제 R1을 통해 전류를 끌어 오기 시작하여 Q1이 강제로 꺼지기 시작하고 상태는 LED를 통해 전류를 자체 조정하여 LED 전류가 안전하지 않은 수준을 넘지 않도록합니다.

이 트랜지스터 전류 제한 기 피드백 루프를 사용하면 R2의 계산 된 값에 따라 LED에 정전류 공급이 보장됩니다. 위의 예에서 BJT가 구현되었지만 고전류 애플리케이션을 위해이 회로에서 MOSFET을 사용하는 것도 가능합니다.

집적 회로를 사용하는 정전류 LED 드라이버

이러한 필수 트랜지스터 기반 빌딩 블록은 그림 9에 표시된 것처럼 여러 LED 스트링을 작동하도록 쉽게 복제 할 수 있습니다.

그룹 제어 LED 스트링 부품 수가 빠르게 증가하여 더 많은 PCB 공간을 차지하고 더 많은 수의 범용 입력 / 출력 (GPIO) 핀을 소비합니다.

또한 이러한 설계에는 기본적으로 대부분의 전원 LED 애플리케이션에 필수적인 밝기 제어 및 오류 진단 고려 사항이 없습니다.

밝기 제어 및 오류 진단과 같은 사양을 포함하려면 추가 개별 구성 요소와 추가 설계 분석 절차가 필요합니다.

다음을 포함하는 LED 디자인 더 많은 수의 LED , 이산 회로 설계에 더 많은 부품이 포함되어 회로의 복잡성이 증가합니다.

디자인 프로세스를 간소화하기 위해 적용하는 것이 가장 효과적인 것으로 간주됩니다. LED 드라이버로 작동하는 특수 IC . 그림 9에 표시된 많은 개별 구성 요소는 그림 10에 표시된대로 IC 기반 LED 드라이버를 사용하면 더 쉽게 만들 수 있습니다.

그림 # 10

LED 드라이버 IC는 LED의 임계 전압, 전류 및 온도 사양을 처리하고 부품 수와 보드 치수를 최소화하기 위해 특별히 설계되었습니다.

또한 LED 드라이버 IC에는 과열 보호를 포함하여 밝기 제어 및 진단을위한 추가 기능이있을 수 있습니다. 즉, 이산 BJT 기반 설계를 사용하여 위의 고급 기능을 달성 할 수도 있지만 IC는 비교적 쉬운 대안 인 것 같습니다.

자동차 LED 애플리케이션의 과제

많은 자동차 LED 구현에서 밝기 제어는 필수적인 요소가됩니다.

LED를 통해 순방향 전류 IF를 조정하면 밝기 수준이 비례 적으로 조정되므로 결과를 얻기 위해 아날로그 디자인을 사용할 수 있습니다. LED 밝기 제어의 디지털 방식은 PWM 또는 펄스 폭 변조입니다. 다음 세부 사항은 두 가지 개념을 분석하고 자동차 LED 애플리케이션에 적용 할 수있는 방법을 보여줍니다.

아날로그 및 PWM LED 밝기 제어의 차이점

그림 11은 LED 밝기를 제어하는 ​​아날로그 방식과 디지털 방식의 주요 차이점을 평가합니다.

그림 # 11

아날로그 LED 밝기 제어를 사용하면 흐르는 전류의 크기를 통해 LED 조명이 변경되어 더 큰 전류로 밝기가 증가하고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

그러나 아날로그 디밍 또는 밝기 제어의 품질은 특히 낮은 밝기 범위에서 만족스럽지 않습니다. 다양한 IF가 LED의 색상 출력에 영향을 미치고 RGB LED의 색상 해상도를 저하시키는 경향이 있기 때문에 아날로그 디밍은 일반적으로 RGB 조명 또는 상태 표시기와 같은 색상 종속 LED 애플리케이션에 적합하지 않습니다.

반대로 PWM 기반 LED 조광기 LED 순방향 전류 IF를 변경하지 말고 LED의 ON / OFF 스위칭 속도를 변경하여 강도를 제어하십시오. 그런 다음 평균 ON 시간 LED 전류는 LED의 비례 밝기를 결정합니다. 듀티 사이클 (PWM의 펄스 간격에 대한 펄스 폭의 비율)이라고도합니다. PWM을 통해 듀티 사이클이 높을수록 LED를 통한 평균 전류가 높아져 밝기가 높아지고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

듀티 사이클을 다양한 조명 범위로 미세 조정할 수 있기 때문에 PWM 디밍은 아날로그 디밍에 비해 훨씬 더 넓은 디밍 비율을 달성하는 데 도움이됩니다.

PWM은 향상된 밝기 제어 출력을 보장하지만 더 많은 설계 분석이 필요합니다. PWM 주파수는 우리의 시야가인지 할 수있는 것보다 훨씬 높아야합니다. 그렇지 않으면 LED가 깜박이는 것처럼 보일 수 있습니다. 또한 PWM 디머 회로는 전자기 간섭 (EMI)을 생성하는 것으로 유명합니다.

LED 드라이버의 간섭

부적절한 EMI 제어로 구축 된 자동차 LED 드라이버 회로는 라디오 또는 유사한 민감한 오디오 장비에서 윙윙 거리는 잡음 생성과 같은 다른 인접 전자 소프트웨어에 악영향을 미칠 수 있습니다.

LED 드라이버 IC는 프로그래밍 가능한 슬 루율, 출력 채널 위상 시프트 또는 그룹 지연과 같은 EMI를 해결하기위한 추가 기능과 함께 아날로그 및 PWM 디밍 기능을 모두 제공 할 수 있습니다.

LED 진단 및 오류보고

과열, 단락 또는 개방 회로를 포함하는 LED 진단은 특히 애플리케이션이 다중 LED 작동을 요구할 때 널리 사용되는 설계 전제 조건입니다. LED 오작동의 위험을 최소화하는 LED 드라이버는 트랜지스터 기반 이산 드라이버 토폴로지보다 더 정밀하게 조정 된 출력 전류를 제공합니다.

이와 함께 IC 드라이버는 과열 보호 기능을 추가로 통합하여 LED 및 드라이버 회로 자체의 더 높은 작동 수명을 보장합니다.

자동차 용으로 설계된 LED 드라이버는 LED 개방 또는 단락과 같은 오류를 감지하도록 장착되어야합니다. 일부 애플리케이션에서는 감지 된 결함에 대응하기 위해 후속 조치가 필요할 수도 있습니다.

예를 들어, 자동차 리어 라이트 모듈에는 테일 라이트와 브레이크 라이트를 비추는 여러 LED 스트링이 포함되어 있습니다. LED 스트링 중 하나에서 버스트 LED 오류가 감지되는 경우 회로는 나머지 LED에 대한 추가 손상을 방지 할 수 있도록 전체 LED 어레이를 끌 수 있어야합니다.

이 조치는 또한 제거하고 유지 보수를 위해 제조업체에 보내야하는 비표준 성능 저하 LED 모듈에 대해 사용자에게 경고합니다.

차체 제어 모듈 (BCM)

차량 사용자에게 진단 경고를 제공 할 수 있도록 지능형 하이 사이드 스위치 차체 제어 모듈 (BCM)은 위의 그림 12와 같이 후방 조명 요소를 통해 오류를 등록합니다.

그러나 BCM을 통한 LED 결함 식별은 복잡 할 수 있습니다. 때때로 동일한 BCM 보드 설계를 사용하여 표준 백열 전구 기반 회로 또는 LED 기반 시스템을 감지 할 수 있습니다. 왜냐하면 LED 전류는 백열 전구 소비에 비해 상당히 작아서 논리적 LED 부하를 구별하는 경향이 있기 때문입니다.

결론

전류 감지 진단이 정확하게 설계되지 않은 경우 개방 또는 연결 해제 된 부하를 식별하기 어려울 수 있습니다. 개별 개방 LED 스트링을 갖는 대신, 개방 부하 상황을보고하기 위해 BCM에서 전체 LED 스트링 스트링을 끄는 것이 더 쉽게 감지됩니다. One-LED-fail이 발생하면 All-LED-fail 기준을 실행하여 단일 LED 오류를 감지 할 때 모든 LED를 종료 할 수 있도록하는 조건입니다. 자동차 선형 LED 드라이버에는 한 번의 실패로 인한 모든 실패 반응을 허용하고 여러 IC 구성에서 공통 오류 버스를 식별 할 수있는 기능이 포함되어 있습니다.