Led driver per l’auto

AUTOMOTIVE –

I progettisti hanno diverse possibilità per integrare un driver per Led in applicazioni automotive legate all’illuminazione.

Recentemente alcuni produttori di auto hanno introdotto i fari a Led nei modelli in produzione basati su Led ad alta luminosità. In alcuni casi il driver ha la possibilità di riuscire a soddisfare, a parità di numero di Led, diverse esigenze applicative. Considerati i prototipi dotati di Led ad alta luminosità forniti dai principali produttori di fanali per auto, quasi tutti i costruttori di auto hanno presentato concetti di veicoli dotati di fari a Led che, secondo le previsioni, saranno presenti anche su molti veicoli standard nel 2012. Il continuo miglioramento dei Led in termini di efficienza e riduzione dei costi (i livelli di emissione luminosa dei dispositivi a Led praticamente raddoppiano ogni 18 mesi) sta comportando un continuo aumento del numero dei Led e dei relativi driver usati nei veicoli. Tra i vantaggi principali derivanti dalla sostituzione delle lampade a incandescenza con i Led nelle sole applicazioni delle luci di posizione figurano, oltre a livelli di consumo energetico più bassi rispetto ai sistemi di illuminazione tradizionali, un consumo ridotto stimato di 0,2 litri di carburante per 100 km e una riduzione di 4 grammi delle emissioni di CO2/km. Nei veicoli elettrici e ibridi l'uso dei Led al posto delle lampade a incandescenza comporta una riduzione del consumo energetico dell'85%. Esistono quindi tante ragioni per utilizzare i Led nelle applicazioni automotive; tra queste una molto importante è la gestione dell'alimentazione fornita dai driver.

Capacità dei driver per Led
I Led hanno bisogno di una corrente costante per poter produrre una luce adeguata; è proprio da questo aspetto che dipende il richiesto funzionamento di un driver per Led. La precisione della erogazione di corrente è ciò che attira l'attenzione del cliente. Occorre evitare le variazioni di corrente che si verificano con le variazioni di tensione nei veicoli. I regolatori lineari effettuano un controllo semplice e non richiedono l'uso di filtri contro le interferenze elettromagnetiche. Tuttavia la loro dissipazione di calore può diventare eccessiva per le applicazioni ad alta potenza. I convertitori dc-dc in configurazione buck sono comunemente usati come successiva soluzione. Quando il driver controlla più Led in serie, si utilizza una configurazione boost del convertitore. In alcuni casi una configurazione buck-boost fornisce la prestazione necessaria a soddisfare diverse esigenze applicative, tra cui la capacità di gestire tensioni di alimentazioni variabili. I driver per Led possono essere progettati in modo da offrire una combinazione di controllo dei Led in serie e parallelo. I dispositivi dotati di questa funzionalità garantiscono ai progettisti di circuiti la flessibilità necessaria per controllare i Led in applicazioni diverse con un unico driver, invece di utilizzare più dispositivi che comportano più lavoro di progettazione e più test di qualificazione. La regolazione dell'intensità di luce è un requisito normale per i sistemi di illuminazione interna. Invece per le applicazioni di illuminazione esterna occorre fornire luminosità diverse per lo stesso Led. Ad esempio, gli stop, i fanali di posizione, gli anabbaglianti, le luci diurne e gli abbaglianti/anabbaglianti sono definiti luci a due livelli. In alcuni casi la progettazione riesce soddisfare entrambe le situazioni con lo stesso Led usando un driver adeguato. Per gli ambienti automotive difficili servono molti circuiti di protezione per evitare problemi ai dispositivi in caso di guasto.

Considerazioni sulla progettazione
nel settore automotive

A differenza di altri segmenti di mercato, alle applicazioni automotive vengono richiesti più requisiti di quelli previsti dagli standard industriali anche nelle specifiche di acquisto, tra cui temperatura e umidità, tensione di alimentazione, capacità di resistere a sostanze chimiche aggressive, interferenze elettromagnetiche, compatibilità elettromagnetica, oltre ai requisiti di affidabilità previsti dai test di qualificazione. L'intervallo di tensione per il settore automotive è compreso tra 9 e 16 V (nominale 14 V) per caricare la batteria da 12,6 V a temperatura ambiente e comprende condizioni estreme come inversione di polarità della batteria (-12 V) e condizioni potenziali di avvio di emergenza a tensione doppia continuativa della batteria (+24 V), condizioni di guasto, come il load dump che si verifica quando la batteria viene scollegata dall'alternatore, e altri transienti di tensione. Un load dump non limitato può durante diverse centinaia di millisecondi e può facilmente superare gli 80 V, ma oggi molti produttori hanno ottimizzato i circuiti limitatori e di conseguenza richiedono che i componenti resistano ai transienti per livelli compresi tra circa 40 e 60 V. Oltre ai requisiti di alta tensione, le condizioni di avviamento a freddo possono provocare tensioni inferiori che richiedono l'adozione di contromisure nei casi peggiori. L'alta affidabilità nelle applicazioni automotive implica la necessità di circuiti che offrono protezione contro le sovratensioni, le sottotensioni, l'inversione di polarità, la sovracorrente, i cortocircuiti e il surriscaldamento. Prove approfondite devono garantire anche la durata dei componenti. I requisiti per la garanzia a vita del veicolo del produttore potrebbero essere 10 anni e 150.000 km.

Uscite Led discrete verso integrate
Può risultare utile utilizzare driver dotati di transistor integrati o esterni, a seconda della potenza dei Led utilizzati. Tuttavia l'integrazione dei Mosfet nel driver per Led può comportare sia vantaggi che svantaggi. I transistor di pilotaggio dei Led integrati riducono il numero dei componenti, consentono di risparmiare spazio sulla scheda e semplificano il circuito perché transistor e driver sono effettivamente integrati. Se il livello di potenza aumenta, ad esempio quando il driver controlla Led ad alta luminosità o è richiesta l'opzione per controllare file di Led, è meglio prendere in considerazione l'eventualità di un pilotaggio esterno in quanto la dissipazione di calore viene smaltita più facilmente. I driver per Led di Rohm sono suddivisi in tre aree principali: driver a un canale e multicanale per la retroilluminazione; driver per interruttori e Led singoli in parallelo; driver complessi per illuminazione esterna. La retroilluminazione è usata soprattutto per i display (medio-grandi) dei sistemi di radionavigazione e i display informativi centrali. La gamma Rohm comprende driver per Led con uno, due, tre e quattro canali, adatti per le diverse esigenze e dimensioni dei display. La tipologia usata è un sistema buck-boost che consente di regolare la luminosità e leggere il display in presenza di vari livelli di luce ambiente e fonti luminose, da condizioni di piena luce alla totale oscurità. Il dispositivo a tre canali BD81A33 richiede pochi componenti esterni ed è disponibile in package SSOP28 adatto alle alte temperature. La frequenza di commutazione dei driver per Led di retroilluminazione arriva fino a 2,2MHz, il che consente di ridurre le dimensioni dei componenti esterni (es. la bobina)) ed escludere interferenze elettromagnetiche dalla banda AM. La tensione di alimentazione è compresa tra 4,5 e circa 40V, mentre la corrente di uscita massima va da 120 a 400 mA per canale (in base al driver). Il numero massimo di Led seriali per ogni fila dipende dalla caduta diretta dei diodi e dal valore predefinito dei meccanismi di protezione. Di solito è possibile controllare in serie 6-7 Led; quindi, con una matrice a tre canali, per illuminare un display si hanno a disposizione circa 20 Led. Per evitare interferenze elettromagnetiche, aspetto particolarmente importante per quanto riguarda le applicazioni radio a bordo auto, esiste un'opzione di sincronizzazione di clock esterna. La funzione integrata di rilevamento anomalie dei Led ha due canali di uscita: Fail 1 per il blocco della sottotensione, lo spegnimento termico, oltre per che la protezione contro la sovratensione e la sovracorrente. L'uscita Fail 2 indica se sia possibile rilevare Led hot-wired o aperti in una o più file. Se necessario, il relativo canale può essere disattivato per evitare altri problemi ad altre parti del sistema. I driver completamente integrati con ingresso seriale e uscita parallela sono degli shift register usati per controllare singoli Led assemblati in parallelo. Per ottenere una luminosità uniforme dei Led adiacenti, ogni canale può essere attenuato singolarmente o con tutto il sistema. La gamma Rohm comprende driver con 8 e 12 canali. È stato progettato un dispositivo, basato sul BD8377, che include funzioni di diagnosi, adatto per le esigenze del mercato europeo. Tutti i driver sono perfetti per i display dei cruscotti, spie luminose, soprattutto gruppi e controlli. Gli integrati hanno bisogno di pochi componenti esterni e consentono di risparmiare spazio sulla scheda. I dispositivi BD8377 e BD8105 sono dotati di 12 uscite parallele, il BD8115 di otto canali. La corrente di uscita massima è, rispettivamente, di 50 mA e di 150 mA pulsata per ogni canale. I driver possono essere collegati in cascata in modo da poter controllare due o più dispositivi in serie  quando si controllano più di 8 o 12 Led, senza aumentare il numero dei pin di I/O del microprocessore. Alloggiato in un package SSOP-B20W, il driver con i suoi transistor integrati provvede a circuiti di protezione contro il surriscaldamento, le sovracorrenti e le sovratensioni. Altre funzioni di diagnosi consentono di rilevare Led aperti o hot-wired e di disattivare singoli canali fino all'avvenuta eliminazione del malfunzionamento; il relativo canale viene riattivato dal microcontrollore. L'ultima serie di driver Rohm è adatta per l'illuminazione esterna, tra cui luci di posizione, anabbaglianti e luci diurne. Il dispositivo BD8372 in package HTSSOP28 è adatto per il controllo di più Led ad alta luminosità presenti nei fanali. Il dispositivo BD8372 in package HTSOP8 è adatto per i fanali posteriori. Entrambi sopportano una tensione in ingresso massima di 50 V per poter essere alimentati direttamente dalla batteria. Sono dotati degli stessi circuiti di protezione e delle stesse funzioni di diagnosi descritti in precedenza che sono particolarmente importanti per il mercato automotive. Lo schema applicativo illustra l'uso di Mosfet esterni del BD8381. La parte a transistor rimane esterna per consentire ai progettisti di selezionare la corrente necessaria per varie applicazioni che richiedono livelli di luminosità diversi. A prescindere che si tratti di Led a chip multipli o singolo, sono supportati entrambi i tipi di diodi. Il generatore Pwm integrato consente anche il funzionamento senza microcontrollore. La tendenza nei sistemi di illuminazione esterna va sempre più verso un aumento delle funzionalità integrate nel driver per Led e canali multipli per tutti i tipi di funzioni: frecce di direzione, abbaglianti e anabbaglianti, luci diurne, lampeggianti, fanali posteriori, antinebbia, luci di posizione e di stop. Grazie ai driver per Led bianchi utilizzati nelle applicazioni automotive, Rohm ha ulteriormente ampliato la sua gamma di driver per Led altamente integrati e offre una serie di dispositivi diversi per praticamente qualsiasi tipo di illuminazione a Led per veicoli.

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