Soddisfare le sfide di power management dell’illuminazione automotive

La proliferazione dei moduli LED nelle automobili crea nuovi requisiti all'hardware del sistema, tra cui le dimensioni ridotte dei componenti per adattarsi all'elettronica aggiuntiva nello stesso spazio, efficienza energetica migliorata per elevate prestazioni all'interno dello stesso o migliore efficienza termica, architetture connesse e flessibili che supportano più configurazioni e controllo accurato al fine di preservare le caratteristiche della luce a LED. Questo white paper esamina le necessità dei LED per gli autoveicoli e presenta alcuni esempi di come una gestione efficace dell'energia può essere molto importante.

Introduzione

I LED stanno conquistando l'industria automotive grazie ai significativi vantaggi rispetto alle tecnologie tradizionali e alla loro vasta gamma di applicazioni (Figura 1). I moduli per la luce anteriore tendono ad avere bisogno di una maggiore potenza (oltre 100 W), il tutto attraverso l’impiego di driver switching ad alta efficienza. Le luci posteriori e quelle esterne, invece, richiedono una potenza inferiore, a volte abbastanza bassa da consentire l'uso di semplici driver lineari. La maggiore chiarezza della luce bianca nei fari a LED migliora il tempo di reazione del guidatore. I sistemi di illuminazione anteriore adattivi (AFS), realizzati dalle matrici LED, producono cambi di schemi luminosi veloci e complessi che migliorano la visibilità dei conducenti in condizioni di scarsa illuminazione. Di notte, in risposta ai raggi di un'auto in arrivo, l'AFS può regolare automaticamente il fascio di luce, evitando che i guidatori in arrivo vengano accecati da un'intensa illuminazione. Il tempo di salita dell'illuminazione a LED è due volte più veloce delle sorgenti a incandescenza, consentendo così alle luci dei freni a LED di illuminarsi più rapidamente fornendo segnalazioni ai conducenti e aumentando la sicurezza stradale. Infine, i LED consumano meno energia rispetto alle loro controparti incandescenti contribuendo a notevoli vantaggi nel consumo di carburante. I controller a LED svolgono un ruolo importante nel preservare e migliorare le qualità intrinseche dei LED quali la chiarezza, velocità ed efficienza.

Figura 1: Auto moderna illuminata a LED

Alimentiamo i LED

I LED hanno molte applicazioni nel settore automotive e sono utilizzati in diverse configurazioni da un singolo LED a una stringa o una matrice. I LED ad alta luminosità (HB) richiedono corrente costante per prestazioni ottimali. La corrente è correlata alla temperatura di giunzione e quindi al colore. Di conseguenza, i LED HB devono essere pilotati con corrente, non tensione. La fonte di alimentazione può variare da una batteria per auto da 12V fino a un convertitore boost da 60V per ospitare una lunga stringa di LED. I veicoli che utilizzano la tecnologia start/stop subiscono forti cali di tensione della batteria quando il motore si avvia, causando un abbassamento della tensione della batteria ben al di sotto del tipico 12V, a volte anche di 6 V o più basso.

Le sfide

La proliferazione dei moduli LED nelle automobili crea nuovi requisiti all'hardware del sistema, tra cui: dimensioni ridotte dei componenti per adattarsi all'elettronica addizionale nello stesso spazio, efficienza energetica migliorata con gli stessi requisiti termici o anche inferiori, supporto di architetture connesse e flessibili che consentono configurazioni multiple, così come un controllo accurato per preservare le caratteristiche della luce a LED. Nelle sezioni seguenti, affronteremo le sfide per le seguenti applicazioni:

1. Luci anteriori ad alta potenza
2. Luci anteriori bassa/media potenza
3. Telecamere a infrarossi (IR) per sistemi di monitoraggio dei conducenti (DMS)
4. Luci posteriori e altre per esterni.

Le soluzioni

Luci anteriori ad alta potenza

I LED ad alta potenza stanno diventando molto popolari nella progettazione di luci anteriori per autoveicoli (Figura 2) grazie alle caratteristiche di illuminazione ed efficienza superiori.
L'elettronica che supporta i LED deve a sua volta essere veloce, efficiente e accurata per il controllo dell'intensità della luce, della direzione e della messa a fuoco. Devono supportare un ampio intervallo di tensioni di ingresso e devono operare al di fuori della banda di frequenza AM dell'autoradio per evitare interferenze elettromagnetiche (EMI). Devono inoltre supportare schemi di luce complessi richiesti nelle matrici LED per AFS.

Figura 2: Faro anteriore LED di un automobile

Il dimming è una funzione diffusa in molte applicazioni automobilistiche oltre ad essere un'importante funzione di sicurezza per i fari a LED. L'occhio umano può a malapena rilevare l'attenuazione della luce dal 100% al 50%. L'oscuramento deve scendere fino all'1% o meno per essere chiaramente distinguibile. Con questo in mente, non è sorprendente che il dimming sia specificato da un rapporto di 1000:1 o superiore. Dato che l'occhio umano, in condizioni appropriate, può percepire un singolo fotone, non c'è praticamente alcun limite a questa funzione.

Poiché la corrente deve essere mantenuta costante per preservare il colore, la migliore strategia di dimming per i LED è la PWM (modulazione della larghezza dell'impulso), in cui l'intensità della luce viene modulata mediante l'affinamento della corrente piuttosto che l'ampiezza. La frequenza PWM deve essere mantenuta sopra i 200 Hz per evitare il tremolio del LED.

Con l'attenuazione PWM, il limite al tempo minimo "accensione / spegnimento" del LED è quello necessario per aumentare/ridurre la corrente nell'induttore del regolatore switching. Questo può aumentare fino a decine di microsecondi di tempo di risposta, che è troppo lento per le applicazioni che riguardano i gruppi di fari a LED che richiedono schemi di dimming veloci e complessi. L'attenuazione in questo caso può essere eseguita solo accendendo/spegnendo individualmente ciascun LED in una stringa tramite appositi interruttori MOSFET (SW1-K in Figura 3). La sfida per il loop di controllo corrente deve essere abbastanza veloce da consentire il rapido recupero dal transitorio di tensione in uscita a causa dello switching in e out dei diodi.

Per essere più efficace, il controller o driver LED deve adattarsi a un'ampia gamma di tensioni di ingresso e avere una risposta transitoria come discusso in precedenza. È necessaria una frequenza di commutazione elevata e ben controllata, al di fuori della banda di frequenza AM, per ridurre le interferenze a radiofrequenza e soddisfare gli standard EMI. Infine, l'elevata efficienza riduce la generazione di calore, migliorando l'affidabilità del sistema di illuminazione a LED. I sofisticati sistemi di fari utilizzano un convertitore boost come front-end per gestire sia le variabilità della tensione in ingresso (cold-crank) sia le emissioni EMI. Il convertitore boost offre una tensione di uscita ben regolata e sufficientemente alta (Figura 3). I convertitori buck dedicati, che operano con questa alimentazione di ingresso stabile, possono quindi gestire le complessità del controllo dell'intensità e della posizione della lampada consentendo a ciascun convertitore buck di controllare una singola funzione, ad esempio abbaglianti, anabbaglianti, nebbia, luci diurne (DRL), posizione, ecc. I singoli diodi vengono attivati e disattivati dal gestore matrice degli interruttori, consentendo l'illuminazione adattiva a livello di pixel.

Figura 3: Sistema di illuminazione LED avanzato

In questa applicazione, il loop di controllo principale di ciascun convertitore buck imposta la corrente nella sua stringa LED, con due loop secondari che implementano la protezione da sovratensione e sovracorrente.

Una soluzione ideale dovrebbe soddisfare i requisiti di un'ampia gamma di tensioni di ingresso, una rapida risposta ai transienti, una frequenza di commutazione elevata e ben controllata, il tutto pur consentendo un'elevata efficienza con rettificazione sincrona. Questa soluzione è soddisfata dal controller buck LED MAX20078. Il controller LED MAX20096 sincrono, tutto n-channel, con SPI, integra due canali in un singolo circuito integrato, riducendo il footprint della soluzione e la distinta base.
Il gestore di switch a 12 matrice può essere implementato dal MAX20092. L'IC è dotato di un'interfaccia (SPI) per la comunicazione seriale. MAX20092 è un dispositivo slave che utilizza lo SPI per comunicare con un microcontrollore esterno (μC), che rappresenta il dispositivo master. Ciascuno dei 12 interruttori può essere programmato indipendentemente per bypassare i LED su ciascuno degli interruttori nella stringa.
Il convertitore boost in Figura 3 è implementato con i controller boost/SEPIC automotive MAX16990 / MAX16992, 36V, 2,5MHz.

Luci anteriori di media/bassa potenza

Nei sistemi di fari a bassa/media potenza, le funzioni di fari come gli abbaglianti e gli anabbaglianti vengono eseguite da più semplici circuiti integrati con driver a funzione singola.
Un'architettura del sistema di fari a bassa/media potenza in grado di ospitare una serie di LED utilizza un convertitore boost. Nell'IC controller boost di Figura 4, uno dei tre anelli di retroazione (CURRENT LOOP) assicura un controllo stretto della corrente di uscita. Gli altri due anelli di retroazione eseguono la protezione da sovratensione (OVP LOOP) e la protezione da sovracorrente (OCP LOOP) per una stringa di 12 diodi, che crea 42 V attraverso la stringa (3,5 V per LED).

Figura 4: Tipico sistema Boost per il controllo LED boost

Oltre al controllo di corrente e tensione, l'IC deve essere dotato di tutte le funzioni descritte in precedenza (regolazione, spettro diffuso, ecc.). Il rilevamento della corrente tramite i resistori R3 e RS è necessario per proteggere il sistema LED in caso di cortocircuiti tra l'uscita e terra o l'ingresso della batteria.

Idealmente, un controller a LED dovrebbe avere un'architettura flessibile che supporti più configurazioni che implementano funzionalità diverse. Abbiamo discusso della configurazione di boost, ma dovremmo anche considerare la configurazione di buck-boost. Una configurazione in modalità buck-boost è necessaria se la stringa diodi è corta, ad esempio due o tre LED (7V o 10.5V), contro una tensione della batteria che può variare da meno di 6V (cold crank) fino a 16V. Se la preoccupazione è l'isolamento da ingresso a uscita, allora un convertitore SEPIC (corrente di uscita discontinua) o un convertitore Chuck (corrente di uscita continua) può essere la soluzione giusta. Un singolo controller che supporta molte architetture presenta chiari vantaggi di economie di scala e facilità di riutilizzo. Ad esempio, MAX20090 è un controller molto flessibile per il pilotaggio di LED, che consente configurazioni boost, high-side buck, modalità SEPIC o buck-boost.

Driver Monitoring Systems (DMS) per Camera IR

Le telecamere a infrarossi (IR), che utilizzano un diodo IR-LED in combinazione con un sensore CMOS, aiutano a riconoscere la pericolosa sonnolenza che colpisce gli automobilisti. Il vantaggio dell'uso dell'infrarosso è la sua invisibilità all'occhio umano e la sua capacità di operare giorno e notte. L'analisi delle immagini elabora le informazioni per determinare se il conducente è affaticato o distratto. Con una tipica tensione di 2,8 V e una corrente diretta di 1 A, l'elettronica che guida il LED è direttamente collegata alla batteria.

Ad esempio, il driver LED buck MAX20050 è una soluzione ideale (Figura 5). Il convertitore step-down 2A completamente sincrono integra due MOSFET a basso RDS (ON) da 0,14Ω (tipico), garantendo un'elevata efficienza fino al 95%. Con la sua gamma di alimentazione in ingresso da 4,5 V a 65 V, il MAX20050 può facilmente resistere al sovraccarico della batteria, rendendolo così ideale come convertitore buck front-end nelle applicazioni DMS.

Figura 5: Driver IR-LED

Per una maggiore potenza, è possibile utilizzare il controller LED buck sincrono MAX20078. Per le applicazioni a più alta tensione, il controller LED HB MAX20090 si dimostra essere una scelta eccellente.

Tabella 1: Driver LED per automotive

Luci posteriori e altre esterne

Luci posteriori e altre esterne come quelle di arresto, delle portiere, ecc., richiedono meno potenza e sono gestite da semplici circuiti integrati a singola funzione. Qui, il MAX20090 può essere utilizzato come controller LED boost o per stringhe lunghe che richiedono tensioni superiori al minimo della batteria o come regolatore di tensione boost front-end. Il convertitore buck MAX20050 può pilotare stringhe corte di diodi collegate direttamente alla batteria. In alternativa, può pilotare lunghe stringhe di diodi con l'aiuto di un convertitore boost front-end.
Per le applicazioni sensibili al rumore, è possibile utilizzare un driver LED lineare. Il driver LED a tre canali MAX16823 (Figura 6) funziona con un intervallo di tensione di ingresso compreso tra 5,5 V e 40 V e fornisce fino a 100 mA per canale su una o più stringhe di LED HB. La corrente di ciascun canale è programmabile utilizzando una resistenza di rilevamento della corrente esterna in serie con i LED. Tre ingressi DIM consentono un'ampia gamma di dimming a impulsi indipendenti oltre a fornire il controllo on e off delle uscite. I circuiti di modellazione dell'onda riducono l'EMI fornendo tempi rapidi di accensione e spegnimento.

Figura 6: Driver lineare a basso rumore

Conclusione

La proliferazione dei moduli LED nelle automobili pone nuovi requisiti sull'hardware del sistema, tra cui: dimensioni dei componenti ridotte per adattarsi a un'elettronica aggiuntiva nello stesso spazio, efficienza energetica migliorata all'interno dello stesso requisito termico o addirittura inferiore, architetture connesse e flessibili che supportano più configurazioni e un accurato controllo che preserva le caratteristiche della luce LED.
In questo documento, abbiamo affrontato le sfide incontrate nella progettazione di luci anteriori ad alta potenza e bassa / media potenza, telecamere IR utilizzate in DMS, nonché luci posteriori ed esterne. In ciascun caso, è stata presentata una soluzione di risparmio energetico ottimale in base all'applicazione in questione. La Tabella 1 è un riepilogo delle applicazioni dei driver LED per automotive con le relative soluzioni di prodotto proposte.

Bibliografia

Achieve Superior Automotive Exterior Lighting with a High-Power Buck LED Controller

Improve Matrix Lighting with the Next Generation of LED Controllers

Flexible LED Controller Simplifies Automotive Exterior Lighting Design

Driving Greater Performance and Safety from Advanced Automotive Lighting

 

A cura di Yin Wu, Senior Business Manager presso Maxim Integrated, Automotive Power Management Solutions; Nazzareno Rossetti, PhD EE, Maxim Integrated.

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