задать вопрос консультанту online
Логотип компании ЭЛТЕХ

Управление светодиодными системами освещения в автомобилях

17.05.2016

Кристина-Анжелика Сумаг (Kristine Angelica Sumague), инженер по применению
Марк Паллоунс (Ma rk Pallones), руководитель отдела, Microchip Technology

Статья была опубликована в журнале "Электронные компоненты" №5/2016

В жестких условиях эксплуатации, в которых работают многие автомобильные системы, востребованы интеллектуальные и надежные светодиодные драйверы. С помощью универсального 8‑разрядного микроконтроллера такие драйверы обеспечивают постоянство цветовой температуры излучения, позволяют увеличить срок службы светодиодов, расширяют возможности регулировки яркости и обеспечивают функции безопасности.

В статье рассматриваются особенности проектирования светодиодных драйверов для систем автомобильного освещения.

Использование независимой от ядра периферии, например в микроконтроллерах PIC16F753 компании Microchip,позволяет управлять силовым каскадом драйвера светодиода в режиме непрерывной проводимости на фиксированной частоте и регулировать яркость светодиодов в режиме управления по пиковому току. К независимым от ядра периферийным устройствам в схеме МК являются генератор комплементарных сигналов (Complementary Output Generator, COG), формирователь корректирующего напряжения (slope compensator,SC) и операционный усилитель (ОУ).
Интеллектуальная система управления создается в результате комбинации с другими встроенными периферийными устройствами, к которым относятся порты ввода/вывода, источник фиксированного напряжения (fixed voltage reference, FVR), ЦАП, таймеры, модуль захвата, сравнения и ШИМ (capturecompare-PWM, CCP), а также АЦП. Совместное использование этих устройств позволяет реализовать такие функции, как управление в токовом режиме с полной компенсацией в широкой полосе частот, ШИМ -управление яркостью, снижение номинальной мощности при температуре корпуса 110°C, защита от короткого замыкания и от обратного напряжения на входе, индикатор отказа на выходе.

SE PIC
Светодиодный драйвер, используемый в рассматриваемом приложении,построен по схеме преобразователя с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью (SEPIC). Гибридная топология DC/DC-преобразования получила распространение в автомобильных системах благодаря тому, что позволяет повышать, понижать выходное напряжение или ток относительно их величин на входе.
Таким образом, если напряжение электропитания в автомобильной сети падает ниже напряжения на светодиодах при холодном пуске или становится выше во время сброса нагрузки, SEPIC-преобразователь поддерживает постоянный ток светодиода. Кроме того, этим преобразователем легче управлять в условиях короткого замыкания в нагрузке благодаря тому, что емкостная связь позволяет отключить от нагрузки высокое входное напряжение при возникновении КЗ в нагрузке. В результате предотвращается саморазрушение схемы и возможное возгорание.

Функционирование драйвера

На рисунке 1 представлена упрощенная схема светодиодного драйвера, которая управляется микроконтроллером с помощью его встроенной периферии.

Упрощенная схема светодиодного драйвера,которая управляется с помощью микроконтроллера

Рис.1. Упрощенная схема светодиодного драйвера, который управляется с помощью микроконтроллера

Главная функция светодиодного драйвера заключается в поддержании постоянного значения выходного тока преобразователя, поступающего в светодиоды независимо от того, как изменяется напряжение автомобильного источника питания и эквивалентное сопротивление светодиодов. Благодаря неизменному току поддерживается постоянная цветовая температура источников света.
После подачи положительного постоянного напряжения на вход драйвера регулятор MCP1790 формирует напряжение питания микроконтроллера VDD = 5 В. Если значение VDD достаточно велико, а тактовая частота микроконтроллера стабилизирована, инициализируются периферийные модули: ОУ, АЦП, источник фиксированного напряжения (FVR), ЦАП, модуль захвата и сравнения (CCP1), формирователь компенсирующего напряжения (SC), компараторы C1, C2, таймер 1 и генератор комплементарных сигналов (COG).
После инициализации генератор комплементарных сигналов еще выключен, и ОУ работает с единичным коэффициентом усиления.
Микропрограмма ожидает, пока АЦП осуществляет дискретизацию входного напряжения в канале AN3.
Когда значение входного напряжения достигает уровня 7 В, микропрограмма активирует генератор COG. Кроме того, она перенастраивает ОУ на изменение его инвертирующего входа на вывод IO. COG-генератор подает управляющий ШИМ-сигнал на вход драйвера ключа MCP1416 для циклического замыкания и размыкания Q2. Как и другие топологии преобразования, SEPIC в режиме непрерывной проводимости допускает
два состояния на коммутационный цикл в устойчивом режиме. В работоспособном со с тоянии выход COG-генератора находится в высоком логическом состоянии, ключ замкнут, а в закрытом выход COG-генератора находится в низком логическом состоянии, ключ разомкнут.

ШИМ -управление яркостью

Один из способов регулировки яркости светодиодов состоит в изменении величины их прямого тока, но этот тип управления может привести к изменению цветовой температуры источников света. Как бы то ни было, при ШИМ -управлении яркостью прямой ток поддерживается неизменным, благодаря чему цветовая температура остается постоянной.

В базовом  режим е ШИМ-коммутации (см. рис. 2) DC/DC-преобразователь формирует импульсы высокой частоты, обеспечивая ток питания для светодиодов. Контроллер DC/DC-преобразователя отслеживает по цепи обратной связи напряжение на резисторе Rsense2, с помощью которого измеряется ток светодиодов, и в зависимости от результата увеличивает или уменьшает коэффициент заполнения цикла выходного ШИМ-сигнала, который управляет ключом DC/DC-преобразователя. Благодаря линейному изменению коэффициента заполнения цикла ШИМ-сигнала значение светодиодного тока остается неизменным.
Управление яркостью осуществляется путем коммутации выходного ШИМ -сигнала с намного меньшей скоростью, чем частота переключения.
Регулирующий сигнал может быть внутренним или внешним по отношению к контроллеру. Светодиоды включаются и выключаются с помощью
частотно-модулированного выходного ШИМ -сигнала. Воспринимаемая яркость этих источников света пропорциональна коэффициенту заполнения цикла.

Базовая схема управления яркостью светодиодов

Рис. 2. Базовая схема управления яркостью светодиодов

Недостатки

Рассмотрим два недостатка схемы, показанной на рисунке 2. Во‑первых, в момент паузы ток светодиода не спадает сразу до нуля, а постепенно
уменьшается из-за разряда выходного конденсатора COUT, что может изменить цветовую температуру и повышает рассеиваемую мощность. Второй недостаток связан с цепью обратной связи драйвера. Во время отключения светодиодов напряжение на резисторе Rsense2, с которого снимается сигнал обратной связи, уменьшается до нуля, тогда как сигнал задания на усилителе ошибки (error amplifier, EA) не сбрасывается, что приводит к насыщению усилителя и перегружает его входной каскад. При этом время восстановления усилителя увеличивается. Таким образом, при последующем включении ШИМ может потребоваться несколько циклов для восстановления усилителя, а ток через светодиоды превышает заданное значение, что приводит к сокращению срока службы светодиодов.
Чтобы избежать этих недостатков, применяется усовершенствованный метод димминга с помощью микропрограммы и дополнительных компонентов. Для устранения эффекта медленного разряда выходного конденсатора между светодиодной цепочкой и резистором Rsense2 устанавливается переключатель нагрузки Q3 (см. рис. 3).
 

Усовершенствованная схема управления яркостью светодиодов

Рис. 3. Усовершенствованная схема управления яркостью светодиодов

После отк лючения светодиода ШИМ -сигналом с выхода COG-генератора ключ Q3 размыкается, перекрывая путь уменьшающемуся
току и позволяя быстрее выключиться светодиоду.
С другой стороны, большой пиковый ток, который возникает при переходе светодиодов из выключенного во включенное состояние, можно устранить, заставив ОУ отключаться с помощью микропрограммы во время выключения. Отключение ОУ полностью разрывает соединение
инвертирующего входа и выхода этого усилителя с портами ввода/вывода общего назначения (GPIO), переводя их в третье, высокоимпедансное
состояние. В результате полностью разрывается соединение компенсирующей цепи с контуром обратной связи, и удерживается последний устойчивый уровень обратной связи благодаря заряду компенсирующего конденсатора.
После включения светодиода компенсирующая схема восстанавливает соединение, а выходное напряжение ОУ мгновенно достигает предыдущего устойчивого состояния до выключения светодиода, т. е. почти сразу ток светодиода достигает заданной величины.
Микропрограмма контролирует ШИМ -сигнал, который управляет коммутацией ключа Q3. Этот сигнал на выводе RA5 переключает транзистор Q4 на управление затвором Q3, который коммутирует светодиоды.

По сути, ключ Q4 инвертирует ШИМ -сигнал с выхода RA5 для управления ключом Q3. Если ШИМ -сигнал находится в низком логическом состоянии, ключ Q4 отключается, а напряжение на затворе Q3 достигает значения VDD. В результате ключ Q3 обеспечивает проводимость.
После выключения Q3 светодиод также выключается. Если Q3 выключен, выходной сигнал COG-генератора тоже отсутствует во избежание непрерывного увеличения напряжения на выходе преобразователя.
При изменении коэффициента заполнения цикла ШИМ -сигнала на выходе RA5, использующегося для управления яркостью светодиодов,
меняется эффективное среднее значение светодиодного тока. Этот ток может линейно изменяться с помощью кнопки переключателя SW1. Если
весь диапазон изменения яркости 0–100% разбить на 25 интервалов, то после однократного нажатия кнопки SW1 яркость увеличится примерно
на 4%. Следующим значением яркости, которое устанавливается с помощью этой кнопки после максимально возможного уровня, является 0%.

Выводы
Благодаря  универсальным функциям микроконтроллера PIC16F753 светодиодный драйвер поддерживает неизменной цветовую температуру светодиодов, позволяет увеличить срок их службы, усовершенствовать метод регулирования яркости и обеспечить безопасную эксплуатацию. Таким образом, у разработчиков имеется возможность превратить драйверы в интеллектуальные и надежные устройства для использования в автомобильных приложениях с жесткими условиями эксплуатации.