Pilotare i Led dei veicoli

Per ambienti con condizioni difficili, come quelle che si riscontrano in molte applicazioni automotive, un driver Led intelligente e affidabile può essere essenziale. Utilizzando la flessibilità di un microcontrollore a 8 bit, questo tipo di driver Led è in grado di mantenere costante la temperatura colore dei Led, prolungarne la vita utile, migliorarne il metodo di attenuazione e applicare funzionalità di sicurezza. L’utilizzo di core independent peripheral all’interno di un microcontrollore come il PIC16F753 di Microchip può permettere al powertrain del driver Led di funzionare in modalità fixed-frequency continuous conduction e regolare la corrente dei Led attraverso il peak current mode control. Le core independent peripheral utilizzate in questo schema sono Cog (Complementary output generator), SC (Slope compensator) e Opa (Op-amp). Combinandole con altre on-chip peripheral quali IO port, Fvr (Fixed voltage reference), Dac (Digital-to-analogue converter), timer, Ccp (Capture-compare-Pwm) e Adc (Analogue-to-digital converter) possono apportare intelligenza all’intero sistema. Questa combinazione può tradursi in funzionalità quali un controllo della corrente di picco ad elevata larghezza di banda completamente compensata, controllo Pwm dell’attenuazione, riduzione della potenza al raggiungimento dei +110˚C di temperatura del case, protezione da corto-circuito, protezione da tensioni di ingresso transienti e invertite, e uscita per indicatore di guasto.

Il convertitore Sepic

Il power train del driver Led utilizzato in questa applicazione si basa su un Sepic (Single-ended primary inductance converter). Questa topologia ibrida di converter Dc-Dc è un interessante driver Led per applicazioni automotive poiché è in grado di fornire una tensione o una corrente regolata persino nel caso in cui la tensione di ingresso andasse al di sotto o al di sopra di quella di uscita. Quindi, se la tensione di alimentazione del mezzo crollasse al di sotto della tensione dei Led durante un avviamento a freddo o al di sopra, durante un load dump, il Sepic può mantenere costante la corrente ai Led. Inoltre, il Sepic può gestire condizioni di corto circuito del carico in una modalità più controllata. Ciò accade poiché l’accoppiamento del condensatore interrompe la linea principale tra input e output quando esistesse un corto-circuito nel carico. Ciò evita l’autodistruzione del circuito o, peggio, un incendio di tipo elettrico.

Il funzionamento

Nello schema semplificato del driver Led, l’intero circuito è controllato dal microcontrollore utilizzando le sue periferiche on-chip. La funzione principale del driver Led è quella di tenere costante la corrente del converter a prescindere da come l’alimentazione elettrica del veicolo e la resistenza equivalente del Led possano cambiare. La corrente costante fornita dal Led driver mantiene la temperatura colore del Led. Dopo aver applicato una tensione positiva Dc all’ingresso del driver Led per avviare il circuito, la tensione Vdd del microcontroller, che è regolata a 5 V dall’MCP1790, aumenta. Quando Vdd è sufficientemente elevata e la frequenza di clock del microcontroller si è stabilizzata, le periferiche Opa, Adc, Fvr, Dac, Ccp1, SC, C1, C2, timer 1 e Cog sono inizializzate e connesse tra loro. Dopo l’inizializzazione, il Cog è ancora disabilitato e l’Opa è configurata per funzionare a guadagno unitario. Il firmware attende finchè l’Adc campiona la tensione di ingresso richiesta dal canale AN3. Quando la tensione di ingresso raggiunge i 7V, il firmware abilita il Cog. Oltre a ciò, il firmware riconfigura l’ OPA affinchè converta il suo ingresso invertente al pin IO. Quando il Cog è già abiltato, questo invia un segnale Pwm che pilota l’ingresso del driver Mosfet MCP1416 che commuta ripetutamente Q2 su on e off. Come per le altre topologie di converter, il Sepic in continuous conduction mode assume due stati per ciclo di commutazione nello steady-state. Quando è nello stato on, l’uscita del Cog è su high e Q2 è on; mentre nello stato off, l’uscita del Cog è low e Q2 è off.

L’attenuazione Pwm dei Led

Una modalità per ottenere l’attenuazione dei Led è quella di variarne la corrente diretta, ma questo tipo di attenuazione può causare anche la variazione della temperatura colore del Led. Tuttavia, l’attenuazione dei Led basata su Pwm mantiene costante la corrente diretta, il che mantiene costante anche la temperatura colore, mentre si utilizza un segnale Pwm per commutare ciclicamente e rapidamente on e off i Led. In un essenziale driver Led Pwm switched mode, il converter Dc-Dc trasferisce energia con switching ad alta frequenza per fornire corrente ai Led. Il controller del converter Dc-Dc monitora la tensione derivata attraverso la resistenza di rilevamento della corrente dei Led Rsense2 attraverso il circuito di feedback per aumentare o diminuire il duty cycle del segnale di uscita Pwm che pilota il converter switch Dc-Dc. Questa variazione nella linearità del duty cycle del Pwm tiene costante la corrente dei Led. L’attenuazione è ottenuta commutando l’uscita Pwm del controller on e off ad una frequenza molto più bassa della sua frequenza switching. Il segnale per l’attenuazione può essere interno o esterno al controller. Questo produce una uscita Pwm modulata in frequenza che commuta i Led on e off. La luminosità percepita dei Led è proporzionale al duty cycle del Pwm modulato.

Alcuni svantaggi da considerare

Sebbene il circuito fornisca controllo per la regolazione, ci sono due svantaggi che debbono essere presi in considerazione. Questi si verificano instantaneamente durante la commutazione on e off dei Led. Il primo accade quando i Led sono off. Durante questo evento, l’uscita di corrente dei Led viene gradualmente ridotta a causa della lenta scarica del condensatore di uscita, che può portare ad una variazione della temperatura colore e alla maggiore dissipazione da parte dei Led. Il secondo svantaggio si trova sotto il circuito di feedback del driver. Quando i Led sono on, una corrente arriva ai Led e la tensione attraverso Rsense2 alimenta un error amplifier. Quando i Led commutano off, non erogano corrente ai Led e la tensione del Rsense2 scende a zero. Durante questo periodo di esclusione della attenuazione, l’uscita EA aumenta fino al suo valore massimo e sovraccarica la rete EA di compensazione. Quando il segnale Pwm modulato torna nuovamente on, ci vogliono diversi cicli prima che recuperi, e nel frattempo elevati picchi di corrente arrivano ai Led. Questo superamento di corrente accorcia la vita dei Led. Per evitare che si verifichino questi inconvenienti, può essere impiegata una tecnica avanzata di regolazione via firmware e componenti addizionali. Per eliminare l’effetto della scarica lenta del condensatore di uscita, può essere aggiunto un commutatore di carico (Q3) tra la stringa di Led e Rsense2. Quando l’uscita Cog Pwm disabilita per porre in off i Led, Q3 è aperto per interrompere la linea della corrente di decadimento e consentire ai Led di passare su off più rapidamente. D’altra parte, l’elevato picco di corrente che si verifica durante la transizione dei Led da off a on può essere eliminato forzando la disabilitazione dell’Opa nel firmware durante il periodo off dei Led. Disabilitando l’Opa si disconnette completamente ingresso e uscita invertenti dell’Opa dai Gpio in tri-state. Ciò significa che la rete di compensazione è completamente disconnessa dal loop di feedback e tiene l’ultimo punto del feedback stabile come carica immagazzinata nel condensatore di compensazione. Quando i Led sono nuovamente su on, la rete di compensazione si riconnette e la tensione di uscita dell’Opa immediatamente salta allo stato stabile precedente prima che i Led andassero in off, ripristinando quasi instantaneamente il valore di corrente dei Led impostato. Il segnale Pwm che controlla la commutazione di Q3 è fornito dal firmware. Il Pwm software su RA5 commuta il transistor Q4 perché piloti il gate di Q3 e commuti i Led on e off. In realtà, Q4 inverte l’uscita Pwm dal pin di RA5 per pilotare Q3. Quando l’uscita Pwm è low, Q4 è off ed il gate di Q3 è spinto verso Vdd. Questo consente la conduzione di Q3. Quando Q3 è on, c’è un collegamento di corrente tra Led e terra, che consente alla corrente di fluire e commutare i Led on. Quando l’uscita Pwm passa high, Q4 commuta on, ed il gate di Q3 è spinto verso terra per interromperne la conduzione. Quando Q3 è off, i Led sono disconnessi da terra e passano su off. Inoltre, quando Q3 è off, anche l’uscita Cog è disabilitata per evitare un continuo aumento della tensione all’uscita del converter che in quel caso attiverebbe l’Oovp. La frequenza del Pwm è scelta in un modo tale che l’occhio umano non possa percepire lo sfarfallio. Commutare il Led on e off produce una corrente media effettiva dei Led sull’uscita del driver Led. Questa corrente media effettiva dei Led può anche essere utilizzata come rappresentazione della luminosità del Led. Perciò, quando il duty cycle del Pwm dall’uscita di RA5 sta cambiando per controllare la luminosità del Led, anche la corrente media effettiva dei Led cambia. La corrente media del Led può essere variata linearmente premendo il pulsante di commutazione SW1. Il range totale tra 0 a 100 percento di luminosità può essere regolato in 25 step. Premendo SW1, la luminosità viene aumentata di circa il quattro percento ogni step. Quando viene raggiunto il massimo valore di attenuazione del 100%, alla successiva pressione di SW1 l’attenuazione tornerà a zero percento nella condizione off.

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