Драйверы светодиодов являются одним из ключевых элементов, обеспечивающих их эффективное применение. LED используются в освещении домов, магазинов или в качестве фар для автомобилей. Каждое из этих устройств имеет свои особенности, но все они требуют небольшого размера и высокоэффективного решения.

Светодиоды питаются от тока, то есть стабилизируемым и регулируемым для данного типа источника света параметром является протекающий через диод ток, а не приложенное напряжение, как в случае с большинством электронных компонентов. За счет этого нужна другая группа схем электропитания, чем привычные стабилизаторы напряжения. Давайте изучим проектировку драйвера светодиодов, который предназначен для авто, но также будет работать и в других схемах, где необходимо стабилизировать ток для светодиодов.

Современные автомобильные фары содержат светодиодые, выполняющие все функции — дальний и ближний свет, дневные ходовые огни, иногда даже проблесковые маяки и другие, объединенные в одной фаре. Компоненты этого комплекта могут иметь очень разные требования к драйверу, включая напряжение и ток, топологию, уровни мощности или функции затемнения. Выполнение этих задач обычно означает использование отдельных органов управления для каждой секции фары. Но использование нескольких контроллеров не только усложняет конструкцию, перечень необходимых компонентов или производственный процесс, но и может затруднить выполнение требований стандартов по электромагнитному излучению. Каждый дополнительный драйвер добавляет свой собственный высокочастотный шум, что усложняет анализ электромагнитных помех.

Гибридные фары для каждой марки и модели автомобиля могут быть оснащены разными светодиодами. С учетом токов, напряжений и других параметров такой модуль в целом потребляет около 30 Вт общей мощности. Исходя из этого можно выбрать контроллер, который удовлетворит всем требованиям по питанию фар – как по функциональности, так и по электрической мощности. Такая схема должна учитывать относительно широкий диапазон напряжений питания от батареи и, используя топологию buck-boost, преобразовывать это напряжение в широкий диапазон напряжений для питания цепочек светодиодов. Кроме того, он должен быть небольшим и иметь минимум внешних компонентов, чтобы окончательная структура легко вписывалась в пространственные ограничения модуля. В конечном итоге она должна создавать низкий уровень электромагнитных помех, чтобы свести к минимуму усилия по проектированию и устранить необходимость, например, в дорогих металлических экранированных корпусах. Контроллер также должен быть высокоэффективным, чтобы выделять мало тепла — это облегчает охлаждение и позволяет спроектировать компактную конструкцию.

Понижающе-повышающий контроллер LT8391A отвечает всем этим требованиям. Он работает с тактовой частотой до 2 МГц и имеет все функции, необходимые для управления целым набором фар с помощью одного чипа.

Для всех источников питания, независимо от области применения, очень важным вопросом является электромагнитная совместимость. Особенно это касается светодиодных ламп с питанием от импульсных стабилизаторов тока. Со временем был разработан ряд различных стандартов для измерения, оценки и документирования помех, создаваемых LED лампами.

Электромагнитные помехи могут иметь серьезные последствия. Не соответствующие требованиям светодиодные лампочки могут, например, создавать помехи для радиопередачи, что может вызвать ухудшение качества работы сети Wi-Fi в доме, или даже мешать работе пультов дистанционного управления 433 МГц. Шум, создаваемый импульсным источником питания, частично частично излучается. Следовательно, они могут переноситься по линиям электропередач, а также иметь магнитную или емкостную связь с соседними сегментами цепи.

Существует множество стандартов безопасности и излучения светодиодов. Основными из них являются CISPR 11 и 25. Последний будет в центре внимания этого проекта, поскольку он касается автомобильных применений. Также есть множество других правил и норм, включая ISO, IEC, FCC, CENELEC, SAE и другие, основанные на стандартах CISPR.

Чип контроллер LT8391A

Контроллер повышающе-понижающего преобразователя LT8391A предназначен для управления током светодиодов. Очень высокая скорость переключения 2 МГц позволяет использовать одну маленькую катушку индуктивности и гарантирует небольшой общий размер всей мощной схемы управления светодиодами.

В отличие от монолитных преобразователей, силовые ключи которых встроены в микросхему, такие контроллеры как LT8391A могут управлять внешними силовыми ключами с гораздо более высокими пиковыми токами – до 10 А и более. Такие токи могут повредить микросхемы в небольших корпусах, которые обычно используются для интегральных преобразователей. С другой стороны, контроллер с внешними МОП-транзисторами может управлять гораздо большей мощностью.

Типичные ключи для МОП-транзисторов имеют размер примерно 3 х 3 мм. Их можно разместить рядом с чипом контроллера и конденсаторами, которые вместе образуют так называемый горячий шлейф. Уникальная архитектура измерения тока позволяет размещать измерительный резистор рядом с силовым дросселем, что делает его вне критических горячих входных и выходных контуров. Это снижает уровень электромагнитных помех.

Схема работает на частоте коммутации 2 МГц с выходным напряжением 16 В и током диода 1,5 А. По электромагнитным помехам соответствует требованиям CISPR 25 класс 5. Это схема применения контроллера LT8391A. Он имеет эффективность до 93% с фильтрами электромагнитных помех и резисторами затвора.

Эффективность схемы может быть на 2 % выше, если удалить дополнительные компоненты подавления электромагнитных помех. Благодаря удачно подобранным компактным MOSFET-транзисторам и одному мощному дросселю, повышение температуры в этой схеме невелико даже при потребляемой мощности 20 Вт.

При входном напряжении 12 В ни один компонент не поднимает свою температуру более чем на 25°C по сравнению с температурой окружающей среды. При входном напряжении 6 В самый горячий компонент нагревается менее чем до 50°С, при стандартной 4-х слойной печатной плате и отсутствии радиатора или принудительного обдува. Схема продолжает работать при полной нагрузке 24 Вт в условиях переходных процессов с падением входного напряжения до 4,3 В. Если напряжение падает ниже или в течение более длительного периода времени, ток нагрузки можно уменьшить с помощью аналогового или ШИМ-управления яркостью.

Микросхема LT8391A имеет новейшие функции ШИМ-диммирования и активную защиту от открытия выхода. Этот синхронный повышающе-понижающий преобразователь стабилизирует ток, протекающий через линию светодиодов, при напряжениях, которые могут находиться или не находиться в диапазоне напряжения питания схемы. Электропитание может осуществляться от автомобильного аккумулятора (9 – 16 В) или АКБ грузового автомобиля (18 – 32 В). Схема может работать с напряжением от 4 В, возникающим при запуске автомобиля. Она также выдерживает напряжение до 60 В, возникающее иногда на линиях в авто.

ШИМ-диммирование обеспечивает коэффициент яркости 2000:1 при частоте 120 Гц, а чип позволяет использовать внутренний генератор ШИМ-диммирования для получения точного коэффициента диммирования 128:1 без необходимости использования внешнего тактового генератора для ШИМ-сигнала, упрощая всю конструкцию.

Стандарт CISPR 25 EMI для авто

Схема на рисунке предназначена для автомобильных фар. В ней используются компоненты, отвечающие требованиям AEC-Q100, и она соответствует стандартам электромагнитного излучения CISPR 25 класса 5. Частотная модуляция переключения снижает электромагнитные помехи, обеспечивая работу без мерцания, позволяя регулировать яркость светодиодов с помощью ШИМ.

Небольшие размеры подчеркиваются небольшой катушкой и небольшими входными и выходными шумовыми фильтрами. Для импульсных преобразователей частоты до 2 МГц не требуются большие LC-фильтры, а для снижения высокочастотных электромагнитных помех достаточно небольших ферритовых колец.

Типичные мощные импульсные преобразователи не могут соответствовать требованиям по электромагнитным помехам в автомобильной промышленности. Мощные ключи и катушки на больших печатных платах рядом с большими конденсаторами могут создавать нежелательные «горячие» шлейфы, особенно когда к ним подключен большой резистор. Уникальная повышающе-понижающая топология контроллера LT8391A исключает измерительный резистор из горячего контура ключей понижения и повышения, обеспечивая более низкий уровень электромагнитных помех.

Архитектура Buck-boost для многолучевых фар

Дальний и ближний свет можно дополнительно оснастить красивыми дневными ходовыми огнями. Поскольку дневные ходовые огни нужны только тогда, когда выключены дальний и ближний свет, можно использовать один драйвер светодиодов для питания светодиодов дальнего и ближнего света, а также ДХО. Однако схема может работать таким образом только в том случае, если используемый светодиодный драйвер имеет гибко регулируемое выходное напряжение и может как увеличивать, так и уменьшать его значение ниже и выше напряжения, подаваемого на модуль. Понижающе-повышающий преобразователь как раз отвечает этому требованию.

Драйвер многолучевой светодиодной лампы работает по схеме buck-boost. Схема такого применения LT8391A показана на рисунке. Эта микросхема может управлять напряжением светодиодной цепочки в диапазоне от 3 В до 34 В. Реализация дальнего света путем добавления дополнительных светодиодов в ближний свет. Тот же драйвер также включает и управляет дневными ходовыми огнями с более высоким напряжением с более низкими токами светодиодов. Переключение со светодиодов ближнего света на комбинированные цепочки ближнего и дальнего света не вызывает скачков выходного напряжения или тока.

Контроллер LT8391A может плавно переключаться между рабочими областями только в топологии повышения, топологии с 4 buck-boost и только в топологии buck. Переход от небольшого количества светодиодов к большому количеству без создания вывода напряжения диода является довольно сложной задачей для инвертора, но схема, показанная на рисунке, легко справляется с этой задачей. Переключение обратно с дальнего и ближнего света на обычный также очень чистое, без каких-либо импульсов, наносящих ущерб светодиодам.

Автомобиль требует надежных решений для реагирования на короткие замыкания и обрывы светодиодов. Условия короткого замыкания и разомкнутой цепи безопасно обрабатываются решением, показанным на рисунке, о чем сообщается с помощью сигнала неисправности преобразователя.

Корпуса TSSOP и QFN для малого пространства

Контроллер LT8391A выпускается в корпусе QFN размерами 4 х 5 мм с 28 выводами. Это идеальный корпус, отвечающий требованиям небольшого размера всей схемы. Кроме того, этот контроллер также предлагается в корпусе TSSOP, который лучше соответствует требованиям автомобильного сектора. Оба корпуса имеют открытое тепловое поле под потенциалом земли, которое помогает рассеивать внутреннее тепло, в основном создаваемое встроенным стабилизатором LDO, который генерирует напряжение INTVCC.

Внутренний LDO-контроллер этих контроллеров импульсных преобразователей может питать до четырех синхронных МОП-транзисторов до 2 МГц и зарядом затвора примерно 15 нКл. Демонстрационная схема небольшого размера для LT8391A показана на фото. Для работы этого универсального контроллера большой мощности требуется только один дроссель 5 х 5 мм.

Проектирование печатной платы драйвера

Чтобы проектируемая схема имела достаточно низкий уровень излучаемых электромагнитных помех, необходимо оптимизировать конструкцию печатной платы. Энергия, излучаемая индуктивностями и паразитными емкостями дорожек платы, играет решающую роль. Частотный диапазон этих излучений обычно превышает 30 МГц.

Уменьшить интенсивность его сложно и требует большого опыта и знаний. Неудача в этом отношении выливается в необходимость заключать схему в экранирующий металлический корпус, что выливается в более высокую стоимость и большие габариты модуля управления освещением.

LED ДХО создают большую проблему с высоким уровнем излучения. Обычно срабатывает цепочка светодиодов, соединенных последовательно. Последовательная схема часто требует много места на плате. Благодаря этому геометрическое расположение имеет свойства антенны и помехи излучаются особенно эффективно. Экранирование электрических цепей сложно, дорого и даже частично невозможно для светодиодов, так как свет не может проходить через оболочку из листового металла. Поэтому решение состоит в том, чтобы свести к минимуму количество испускаемого электромагнитного излучения. Есть много аспектов, которые способствуют этой минимизации, одним из которых является правильный проект печатной платы.

Выбор встроенных импульсных стабилизаторов, которые уже предназначены для минимизации выбросов и оптимизации поведения ЭМС, как в этом случае, значительно упрощает достижение результатов. В этом случае требуется минимальная фильтрация, но многое зависит и от конструкции дорожек платы.

Наиболее серьезным источником электромагнитных помех в импульсных преобразователях является контур, в котором коммутируется ток. Он называется “горячая петля”. Для большинства неизолированных топологий электромагнитные помехи возникают в контурах с высоким значением dI/dt. Большинство схем не имеют силовых линий переменного тока в линиях электропередач и нагрузках. Поэтому анализ должен быть сосредоточен на преобразователе из входного конденсатора CIN, который должен подавать все соответствующие переменные токи на выходной конденсатор COUT, где все переменные токи заканчиваются (передаются на землю). Между этими элементами находятся все типовые элементы преобразователя – ключи, катушки и так далее.

Преобразователь, описываемый в этой статье, представляет собой схему повышающе-понижающей топологии, имеющую 4 ключа — МОП-транзисторы — М1-М4. На этих схемах трудно отметить горячий шлейф, но если посмотрим на рисунок, то все будет намного понятнее. Как видно, на макетной плате для этой схемы все ключевые компоненты горячего контура расположены близко друг к другу, поэтому площадь его мала, а уровень электромагнитных помех низкий.

Благодаря соответствующему расположению выводов чипа LT8391A можно легко оптимизировать конструкцию трактов в схеме, чтобы гарантировать низкий уровень излучения. Все линии управляющие транзисторами М1-М4 и к этому участку схемы, расположены с одной стороны контроллера.

Подведем итоги

Драйвер светодиодов LT8391A — это контроллер повышающе-понижающего преобразователя, предназначенный для питания светодиодных цепочек в автомобильных фарах. Его ключевые особенности включают архитектуру с 4-мя коммутаторами, оптимизированную для минимизации генерируемых электромагнитных помех, которая дополнительно поддерживается возможностью работы с модуляцией распределенного спектра (SSFM).

Чип также имеет выводы расположенные таким образом, чтобы облегчить конструкцию печатной платы, сведя к минимуму уровень генерируемых электромагнитных помех.

Все это соответствует требованиям стандарта CISPR 25 класса 5. К тому же высокая частота переключения позволяет работать выше диапазона AM, требуя очень небольшой фильтрации входного и выходного шума. Благодаря этому можно создавать очень компактные драйверы светодиодов с низким уровнем излучения. Семейство LT8390 имеет гибкие параметры, что делает их пригодными для питания широкого спектра схем.