Ottimizzare i vantaggi delle luci di marcia diurna

Le luci di marcia diurna per i veicoli a motore offrono ai progettisti numerose opportunità per migliorare l’esperienza di guida e l’immagine del proprio marchio. L’elemento chiave alla base di questo miglioramento è il passaggio alla tecnologia di illuminazione basata su Led. Grazie a processi di produzione che hanno consentito di apportare notevoli miglioramenti a livello di efficienza quantica, sono ora disponibili Led ad alta luminosità caratterizzati dai livelli di affidabilità richiesti dalle applicazioni automotive. Sulla base di alcune stime, il minor consumo di potenza dei Led può tradursi in un risparmio di due litri di carburante ogni 1.000 km in un veicolo convenzionale. Esse inoltre contribuiscono ad aumentare l’autonomia dei veicoli elettrici e ibridi. Un ulteriore vantaggio delle soluzioni basate su Led è il più elevato grado di affidabilità dei componenti. La longevità che contraddistingue i Led significa che non è richiesta la loro sostituzione per tutta la vita del veicolo. Ciò garantisce ai produttori una maggiore libertà in termini di progettazione e di definizione dello stile di una vettura, in quanto l’accessibilità richiesta per una eventuale sostituzione non è così importante come per le lampadine a incandescenza. Senza dimenticare che le dimensioni più ridotte dei Led rispetto alle lampadine tradizionali consentono una maggiore libertà di posizionamento delle luci di marcia diurna, con innegabili riflessi positivi sull’immagine del marchio. I progettisti, ad esempio, possono utilizzare stringhe di Led per definire forme che ricordano il logo del produttore o che seguono i profili del veicolo in modo da conferire un aspetto più accattivante.

Il controllo del dimming

I Led utilizzati per le luci di marcia diurna sono in grado di reagire in modo migliore al variare delle condizioni di guida, incrementando ad esempio l’uscita luminosa al calare della nebbia, oppure riducendo la luminosità quando le luci sono utilizzate come luci di posizione. Ne consegue che un efficace controllo del dimming delle stringhe di Led è un requisito essenziale dei controllori di potenza. In ogni caso non è certamente l’unico. Nel settore automotive esiste un certo numero di implicazioni per quanto riguarda il progetto di fari basati su Led, sia per la marcia diurna sia per quella notturna. Ovviamente i componenti utilizzati in questi progetti dovranno essere sviluppati e realizzati in modo da soddisfare i requisiti di standard riconosciuti in campo industriale come AecQ100 e TS16949. Essi inoltre devono funzionare in un range di temperatura più ampio, fino a +125 °C. A causa della vicinanza con le centraline elettroniche per il controllo del motore nella parte anteriore del veicolo, è essenziale minimizzare le interferenze elettromagnetiche. Esistono anche requisiti di natura elettrica che devono soddisfare le esigenze dei circuiti di controllo e di alimentazione dei Led. Anche in condizioni di funzionamento normale, in un veicolo a motore la tensione di alimentazione varia nell’intervallo compreso tra 9 e 16 V. Si tratta di valori sufficienti per caricare la batteria mentre il veicolo viaggia nelle più svariate condizioni di temperatura, dai climi subartici a quelli tropicali. In realtà, il valore di tensione effettivo può facilmente superare questi limiti. Le tensioni di ingresso possono variare per molte ragioni: un collegamento errato della batteria, avvio di emergenza che comporta il raddoppio della tensione di 12 V della batteria o ancora a causa dei guasti prodotti da condizioni di load dumping come accade nel caso in cui la batteria è scollegata dall’alternatore, situazione che può verificarsi temporaneamente nel caso in cui i cavi risultino leggermente allentati. Il risultato è uno spike di tensione transitorio che si genera nel momento in cui l’alternatore cerca di caricare una batteria che non è connessa. Anche in presenza di circuiti di aggancio del load dump centralizzati, i componenti devono essere in grado di gestire tensioni di ingresso fino a 60 V. Sebbene esistano spesso meccanismi di protezione integrati nel sistema elettrico di un’auto, è necessario prevedere circuiti di protezione contro fenomeni di sovra-tensione, sotto-tensione, sovra-corrente, corto circuito e sovra-temperatura.

L’efficienza energetica

Oltre a queste condizioni di guasto, l’attenzione all’efficienza energetica ha portato all’introduzione della tecnologia start & stop che a sua volta comporta un incremento della gamma di tensioni operative. Quando il veicolo è riavviato, pronto quindi per la marcia, l’elevata richiesta di corrente da parte del motore può far diminuire la tensione della batteria a valori inferiori a 9 V, arrivando spesso a 6 V. Dal punto di vista del circuito per il pilotaggio del Led il problema consiste nel fornire una tensione di uscita molto ben regolata e quindi una corrente per i Led tale che anche in presenza di spike di tensione di 30 V, la luce prodotta dal Led resti immutata. Una singola topologia di regolazione non è sufficiente per gestire la gamma di condizioni che un controllore per Led si trova a dover gestire. Anche se per la maggior parte del tempo il circuito deve agire come un regolatore boost per fornire gli elevati valori di tensione richiesti per le stringhe di Led più lunghe, esso dovrà anche temporaneamente commutare in modalità buck per produrre una tensione inferiore rispetto a quella dell’alimentazione nel momento in cui aumenta la tensione di quest’ultima. Nel caso di catene di Led operanti a tensioni più basse sarà necessaria una configurazione buck.

Tre modalità operative

Per non costringere un progettista a ricorrere a differenti controllori per Led per diverse configurazioni del layout, il controllore ZXLD1371Q di Diodes, permette di operare in tre diverse modalità: buck, boost o buck-boost. Quest’ultima modalità permette di rispondere in maniera efficace alle variazioni dell’alimentazione che oscillano attorno al valore di tensione richiesto per il pilotaggio della stringa di Led. Una frequenza di commutazione di 400 kHz assicura un’elevata efficienza nella regolazione della tensione. Se si varia la disposizione dei componenti di supporto, come ad esempio i resistori di rilevamento, il controllore commuta tra le differenti modalità di controllo della potenza. Per semplificare la fase di progetto, un’applicazione di calcolo disponibile sul web permette di eseguire la selezione dei componenti in maniera completamente automatizzata, contribuendo in tal modo ad accelerare le fasi di sviluppo e di prototipazione. Il dispositivo in questione adotta un algoritmo di controllo isteretico modificato in modo da garantire un’elevata accuratezza per quel che riguarda la corrente in ciascuna delle tre modalità. L’accuratezza della corrente è un fattore di estrema importanza per assicurare che il pilotaggio dei Led avvenga in modo da fornire un colore e un livello di uscita luminosa costanti sia al variare della tensione di alimentazione sia tra i diversi array di Led. Questo progetto assicura una deviazione non superiore al 5%, consentendo un’eccellente corrispondenza visiva tra due o più insieme di fanali posizionati nella parte anteriore del veicolo. Il supporto on-board della regolazione dell’intensità luminosa in modalità Pwm permette di controllare la luminosità della stringa di Led secondo un rapporto di 1000:1, garantendo un adeguato supporto quando la visibilità di guida diminuisce e riducendo la luminosità a livelli molto bassi laddove sono necessarie solamente le luci di posizione.

Vantaggi progettuali

Grazie alla possibilità di operare in un intervallo di tensioni di alimentazione compreso tra 5 e 60 V, il dispositivo ZXLD1371Q garantisce il supporto per tutti i valori di tensione della batteria e dell’alternatore, anche nei casi in cui si verificano fenomeni di load dumping. Il controllore può operare a temperature fino a +125 °C e prevede un anello di protezione termico per le stringa di Led in modo da garantire che in presenza di temperature elevate queste non subiscano eccessive sollecitazioni. L’integrazione di funzioni per la segnalazione di errori assicura un’integrazione efficace con gli altri sistemi elettronici presenti a bordo del veicolo. Per la diagnosi dei guasti sono previsti due pin. Il primo, un pin di flag, è preposto alla segnalazione di un guasto mentre il secondo, un pin di stato a più livelli, fornisce indicazioni circa la natura del guasto. La disponibilità di un controllore per Led integrato come ZXLD1371Q comporta notevoli vantaggi in termini di inventario e consente di ridurre il numero di componenti presenti sulla scheda.

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