Skip to main content

Ledmeghajtás járművekben

Megjelent: 2017. szeptember 29.

MicrochipAz olyan mostoha alkalmazási környezetben, mint például a járműelektronika, alapkövetelmény az intelligens és megbízható ledmeghajtó. Egy 8 bites mikrovezérlő sokoldalúságára épülő ledmeghajtó fenntartja a led színhőmérsékletét, megnöveli élettartamát, finomítja a fényerőszabályozást és fokozza a biztonságot.

 

Az olyan mikrovezérlők (MCU-k) magfüggetlen perifériáinak felhasználásával, mint például a Microchip PIC16F753, olyan ledmeghajtó teljesítményelektronikát mutatunk be, amely állandó frekvenciájú, folytonos vezetési üzemmódban működik, és csúcsáram-üzemmódú szabályozással állítja be a led áramát. A tervezéshez felhasznált magfüggetlen perifériák a következők:

  • komplementer kimenetű generátor (Complementary Output Generator – COG),

  • komparátor,

  • meredekség kompenzáló (Slope Compensator – SC) és

  • műveleti erősítő (Operational Amplifier – OPA).

Ezeket az eszközöket a többi integrált perifériákkal (mint az I/O-portokkal, feszültségreferenciával (Fixed Voltage Reference – FVR), digitál/analóg átalakítókkal (DAC), időzítőkkel (timer), eseményvezérelt, komparátoros impulzusszélesség-modulátorral (Capture-Compare-PWM – CCP) és analóg/digitális átalakítókkal (ADC)) kiegészítve jelentősen növelhető a rendszer intelligenciája.
Ez az összeállítás olyan jellemzőkkel ruházza fel az áramkört, mint a teljesen kompenzált, nagy sávszélességű csúcsáramszabá-lyozás, PWM-alapú fényerőszabályozás, teljesítménycsökkentés +110 °C-ot meghaladó hőmérsékleten, rövidzár-, tranziens- és fordított polaritásvédelem, valamint hibaállapot-kijelzés.

SEPIC

A jelen alkalmazásban használt ledmeghajtó teljesítményelektronikai megoldása az egykimenetű, primer oldali induktivitással rendelkező feszültségátalakító (Single-Ended Primary Inductance Converter – SEPIC). Ez a hibrid DC-DC-konverter topológia azért jelent vonzó megoldást az automotív alkalmazásra tervezett ledmeghajtó problémájára, mert a szabályozott kimeneti feszültséget vagy áramot akkor is képes előállítani, ha a bemeneti feszültsége kisebb vagy nagyobb a kimeneti feszültségnél. Tehát, ha a jármű elektromos energiahálózatának feszültsége kisebb is a ledek feszültségénél (például hidegindításkor vagy megnövekedett terhelés miatt), a SEPIC képes fenntartani az állandó áramot a ledeken. A SEPIC előnyei közé tartozik, hogy a terhelés rövidre zárását is ellenőrzött módon képes kezelni. Ennek az az oka, hogy ha a terhelést rövidre zárjuk, a bemenetet és a kimenetet kapacitív csatolás választja el egymástól. Ez nemcsak az áramkör „önmegsemmisítését” akadályozza meg, de az ennél sokkal rosszabb elektromos tüzet is.

Működés

A ledmeghajtó egyszerűsített tömbvázlatát az 1. ábra mutatja, amellyel kapcsolatban fontos megjegyezni, hogy a vezérlőáramkörét a mikrovezérlő (MCU) integrált perifériáiból összeállított egység látja el.

 

 01Microchip

1. ábra a SEPIC ledmeghajtó egyszerűsített tömbvázlata


Egy ledmeghajtó fő funkciója az átalakító kimeneti áramának állandó értéken tartása, függetlenül attól, hogyan változik a jármű fedélzeti tápellátó hálózatának feszültsége és a led ekvivalens ellenállása. A ledmeghajtó által előállított áram állandósága a feltétele annak is, hogy a led színhőmérséklete állandó maradjon.
Indításkor a pozitív egyenfeszültségnek a ledmeghajtó bemenetére kapcsolása után az MCU VDD tápfeszültsége (amit az MCP1790 IC stabilizál) 5 V-ra növekszik. Amikor a VDD már elég nagy és az órafrekvencia stabilizálódott, az OPA, az ADC, az FVR, a DAC, a CCP1, az SC, a C1, a C2, a timer 1 és a COG perifériák inicializálódnak és összekapcsolódnak.
Az inicializálás után a COG továbbra is tiltott állapotban marad, a műveleti erősítő pedig egységnyi erősítésre van konfigurálva. A firmware várakozik, amíg az ADC mintavételezi az áramkör – AN3 bemenetre kapcsolt – bemenőfeszültségét. Amikor a bemenőfeszültség eléri a 7 V-ot, a firmware engedélyezi a COG működését, ezt követően pedig újrakonfigurálja az OPA-t, hogy annak invertáló bemenete az I/O-csatlakozópontra kapcsolódjon. Amikor a COG már engedélyezve van, az egy PWM-jelet állít elő, amelyet az MCP1416 MOSFET-meghajtó IC bemenetére kapcsolva az a Q2 MOSFET-et kapcsolja ismételten be és ki.
Éppúgy, mint más feszültségátalakító topológiáknál, a folytonos vezetésű üzemmódban működő SEPIC is kapcsolási ciklusonként két állapotot vesz fel állandósult állapotban: bekapcsolt állapotnak azt nevezzük, amikor a COG kimenete magas szinten, a Q2 MOSFET pedig bekapcsolt állapotban van, kikapcsolt állapotnak viszont az alacsony szintű COG-kimenetet a Q2 kikapcsolt állapotát tekintjük.

PWM-alapú fényerőszabályozás

A ledek fényerőszabályozásának egyik módja a led nyitóáramának változtatása, de ez a megoldás a led színhőmérsékletének változását okozhatja. Ezzel szemben a PWM-alapú fényerőszabályozásnál a nyitóáram állandó, az átlagfényerő szabályozása a led gyors és periodikus be-és kikapcsolásával valósul meg.
A PWM-alapú ledmeghajtó alapkapcsolásban a 2. ábrán látható módon a DC/DC-konverter nagy kapcsolási frekvenciával szaggatott árammal továbbítja a ledhez az energiát.
A DC/DC-konverter vezérlőáramköre a ledek áramát az Rsense2 áramérzékelő ellenálláson eső feszültség révén érzékeli. Ez jut a visszacsatoló áramkörre, amely növeli vagy csökkenti a PWM kimeneti jelének kitöltési tényezőjét, és ezzel a jellel vezérli a DC/DC-konverter kapcsoló-MOSFET-jét. Ez a lineárisan változó PWM kitöltési tényező tartja állandó értéken a led átlagáramát. A fényerőszabályozás úgy történik, hogy a PWM kimenetét kapcsoljuk ciklikusan ki és be a kapcsolási frekvenciánál jóval kisebb gyakorisággal. A fényerőszabályozó jel belülről vagy a kontrolleren kívülről származhat. A led érzékelt fényintenzitása arányos a modulált PWM-jel kitöltési tényezőjével.

 

 02Microchip

2. ábra PWM ledmeghajtó alapkapcsolás

 

Hátrányok

Bár a 2. ábrán látható áramkör alkalmas a fényerőszabályozás megvalósítására, van két hátránya, amit nem lehet figyelmen kívül hagyni. Ezek a led be- és kikapcsolásával vannak összefüggésben. Az első hátrányos jelenség akkor történik, amikor a ledet kikapcsoljuk. Ennek során a ledet meghajtó kimeneti áram a kondenzátor lassú kisülése miatt nem ugrásszerűen, hanem fokozatosan csökken, ami a színhőmérséklet megváltozását és a leden disszipálódó teljesítmény megnövekedését okozza. A második hátrány az áramkör visszacsatoló áramkörében rejlik. Amikor a led bekapcsolt állapotban van, áram folyik rajta, ami az Rsense2 ellenálláson feszültséget ejt, és ez csatolódik vissza a hibajel-erősítőbe (Error Amplifier – EA). Ha viszont a led ki van kapcsolva, és ezért az Rsense2 ellenállás feszültsége nullára csökken, a fényerőszabályozó ciklus kikapcsolási ideje alatt a hibaerősítő kimeneti feszültsége a maximumára növekszik és túltölti a saját kompenzáló áramkörét. Amikor a modulált PWM-jel újra bekapcsolódik, néhány ciklusnyi időbe kerül, amíg ez az állapot helyreáll, és eközben a led nagy csúcsáramú vezérlést kap. Ez az áram-túllövés a led élettartamát csökkenti.

Annak érdekében hogy ezeknek a kellemetlen helyzeteknek az előfordulását megelőzzük, továbbfejlesztett fényerőszabályozást kell bevezetnünk a firmware módosítása és néhány további alkatrész beépítése árán. A kimeneti kondenzátor lassú kisülése hatásának kiküszöbölésére egy terheléskapcsolót (Q3) építhetünk be a ledfüzér és az Rsense2 közé, amint az a 3 ábrán látható. Amikor a COG PWM kimenet letiltódik, hogy kikapcsolja a ledet, a Q3 kapcsoló megszakítja a csökkenőben levő áramot, és a led hamarabb kikapcsol.

 

 03Microchip

3. ábra Továbbfejlesztett led fényerőszabályozó kapcsolás


A másik jelenség – a nagy csúcsáram megjelenése a led bekapcsolásakor – azzal küszöbölhető ki, ha az OPA-t firmware-vezérléssel letiltott állapotba kényszerítjük a led kikapcsolt állapotának időtartamára. Az OPA letiltása úgy történik, hogy az invertáló bemenetét és a kimenetét teljesen leválasztjuk a hozzájuk tartozó GPIO-csatlakozópont harmadik állapotba kapcsolásával. Ez azt jelenti, hogy a visszacsatoló hurokból a kompenzáló hálózat teljesen kiiktatódik, és a kikapcsolás idejére megőrzi az utolsó stabil visszacsatolási állapotot a kompenzáló kondenzátorban tárolódó töltés révén.
Amikor a led ismét bekapcsolódik, a kompenzáló hálózat ismét visszakapcsolódik, és az OPA kimenete az előző ciklus kikapcsolás előtti utolsó stabil állapotához tartozó feszültséget veszi fel, amellyel a led csaknem teljesen helyes, aktuális áramértékét állítja helyre.
A Q3 kapcsolását vezérlő PWM jelet firmware állítja elő. Ez az RA5 csatlakozóponton megjelenő „szoftver PWM” vezérli a Q4 tranzisztort, amely a Q3 kapuelektródáját hajtja meg, és ezzel kapcsolja be és ki a ledet. Valójában a Q4 invertálja az RA5 kimeneten megjelenő PWM-jelet, tehát ha a PWM kimenet alacsony szintű, a Q4 kikapcsol, és emiatt a Q3 kapuelektróda a VDD-re kacsolódik. Ettől a Q3 vezető állapotba kerül.
Ha a Q3 bekapcsolt állapotba kerül, a led és a földpotenciálú pont összekapcsolódik, amely lehetővé teszi, hogy a leden áram folyjon. Ha a PWM kimenet magas értékre vált, a Q4 bekapcsol, és ezzel a Q3 kapuelektródáját a földpotenciálra húzza le, a Q3 ettől kikapcsolódik.
Amikor a Q3 kikapcsolt állapotba kerül, leválasztja a ledet a földpontról, amely ettől szintén kikapcsolódik. Eközben a COG kimenete is letiltódik, és ezzel megakadályozza, hogy a konverter kimenetén folytonosan növekedjen a jelszint, amely az OOVP alkalmi beindulását is okozhatná.
A PWM frekvenciáját úgy választottuk meg, hogy a villogás emberi szemmel ne legyen érzékelhető. A led be- és kikapcsolási idejének aránya egy átlagáramot határoz meg a ledmeghajtó kimenetén. Ettől az átlagáramtól függ a led átlagos fényintenzitása. Következésképpen, ha az RA5 kimeneten megjelenő PWM jel kitöltési tényezője változik, a led átlagárama is változik. Ez az átlagáram lineárisan változtatható az SW1 nyomógomb ismételt megnyomásával. A 0…100%-os fényességtartomány 25 lépésben változtatható, amely azt jelenti, hogy az SW1 minden megnyomásával 4%-kal növekszik a fényintenzitás. Ha ezzel elérjük a 100%-ot, az SW1 következő megnyomásakor a fényintenzitás nulla értékre kapcsol[1]

Összegzés

A PIC16F753 mikrovezérlő flexibilitását kihasználva olyan ledmeghajtó építhető fel, amely megőrzi a led színhőmérsékletét, növeli annak élettartamát, fejlett fényerőbeállítást tesz lehetővé és a biztonság követelményeinek is megfelel. Ez azt jelenti, hogy az automotív alkalmazás mostoha körülményei között is megfelelő, intelligens és megbízható ledmeghajtó valósítható meg.

 

Szerző: Kristine Angelica Sumague, Mark PallonesMicrochip Technology

 

www.microchip.com

 Még több Microchip

 


[1] Ez az ergonómiai szempontból nem éppen elegáns megoldás a firmware módosításával egyszerűen továbbfejleszthető. – A szerk. megj.