Un controlador LED es todo lo que necesita para grupos de faros LED automotrices (LT3795)

Los faros de luz baja, los faros de luz alta, las luces de circulación diurna y las luces de señalización a menudo se diseñan juntas en una sola unidad o grupo, lo que permite a los diseñadores producir una apariencia distintiva de la parte delantera del automóvil. La iluminación LED se ha abierto camino en estos grupos, distinguiendo las caras de gama alta de los vehículos de lujo de hoy; pero los LED ofrecen algo más que una buena apariencia. Tienen una serie de ventajas técnicas sobre las tecnologías de iluminación de la competencia, en particular una mayor eficiencia, robustez y vida útil. A pesar de estas ventajas, los diseñadores de iluminación de automóviles enfrentan el desafío del costo de reemplazar las lámparas tradicionales con LED.

Una parte significativa del costo de la iluminación LED está determinada por los costos de los propios LED, los ensamblajes de gestión térmica (como los disipadores de calor de metal con aletas) y los circuitos de controlador de LED robustos. Tradicionalmente, cada haz de LED o tipo de luz requeriría su propia PCB controladora de LED. Los costos y la complejidad se pueden reducir significativamente si se usa un solo controlador para controlar varias cadenas de LED (en serie) dentro del grupo de iluminación.

Un controlador completo de cadenas de LED múltiples debe admitir los altos voltajes y las corrientes altas que requieren las cadenas de LED de alta potencia. También debe manejar hábilmente las transiciones de encendido/apagado de algunas cadenas de LED mientras que otras permanecen encendidas y no se ven afectadas. En un entorno automotriz, debe adaptarse a voltajes de entrada y salida de amplio rango, de la batería en la entrada y las cadenas de LED en su salida. Los entornos automotrices también exigen que el controlador cuente con baja EMI y protección contra fallas abiertas y de cortocircuito.

Los controladores LED para automóviles LT3795 y LT3952 cumplen estos requisitos cuando se utilizan en topologías boost y boost-buck (patente pendiente). Estos controladores de LED pueden funcionar en topologías de refuerzo de alto voltaje (incremento) y de impulso-reducción (incremento y reducción). Admiten grandes pilas de cadenas de LED, aceptan un amplio rango de voltaje de la batería y pueden hacer una transición elegante del número de LED de encendido en la salida. Ambos cuentan con modulación de frecuencia de espectro ensanchado para reducir EMI y protección LED corta y abierta.

El voltaje total de un grupo de faros de luz de cruce, luz de carretera y luz diurna puede ser de aproximadamente 70 V cuando se conduce con LED de 1 A. El controlador LED de un solo canal LT3795 de 100 V+ puede controlar 70 W de LED directamente desde una entrada automotriz estándar de 9 V a 16 V; las tres luces del grupo se pueden controlar en serie.

El circuito del controlador combinado en la Figura 1 muestra cómo el controlador LED de un solo canal LT3795 se puede usar para alimentar 1A a través de las luces de circulación diurna, las luces bajas y las luces altas en una topología de refuerzo. Esto permite encender y apagar las luces altas y bajas; las luces de circulación diurna siempre están encendidas.

A medida que las luces altas y bajas se encienden y apagan, sus cadenas de LED se suman y restan de las cadenas de luces de circulación diurna mediante los interruptores MOSFET de alta corriente M3 y M4. Estos interruptores actúan como dispositivos de cortocircuito. Cuando el MOSFET está encendido, cortocircuita su haz correspondiente, apagándolo; cuando el MOSFET está apagado, el haz funciona con una corriente de 1A. Este diseño fácil de implementar es robusto y ahorra mucho espacio, ya que no requiere controladores adicionales.

Encender y apagar una cadena completa de LED de 23 V (como una luz de cruce) crea un transitorio de 23 V en la salida. Es importante que las transiciones de encendido y apagado no sean instantáneas. En este diseño, Q1 y Q2 controlan las transiciones de encendido y apagado del MOSFET para evitar grandes picos de corriente de la cadena de LED, que de otro modo resultarían en energía absorbida o liberada por la tapa de salida. Al cambiar instantáneamente M3 y M4, la corriente del LED bajaría temporalmente a cero, lo que provocaría un parpadeo visible en las luces bajas, o podría inducir un pico de corriente alto, de hasta 3 A, que estresaría incluso a la cadena de LED más robusta.

La Figura 2 muestra la conmutación controlada de M3 y M4, transicionando la corriente del LED y el voltaje de salida en ~500 µs. El controlador de cortocircuito para M3 y M4 funciona a una velocidad a la que el capacitor de salida y el convertidor pueden manejar transitorios lentos con menos del 20% de desviación en la corriente de salida durante un tiempo muy corto. No hay parpadeo o parpadeo perceptible en la luz de cruce u otras luces de funcionamiento cuando se agrega o resta una cadena de las luces de funcionamiento siempre encendidas.

El circuito impulsor LED LT3795 de la Figura 1 tiene una eficiencia del 91 % y del 95 % cuando solo las luces de circulación diurna están encendidas y cuando todos los haces están encendidos, respectivamente. Dispone de protección contra cortocircuito y LED abierto. Con un buen diseño y suficiente área de cobre para los componentes de potencia discretos, el componente de aumento de temperatura más alto de este controlador de refuerzo de 70 W se puede mantener por debajo de 40 °C sin disipadores de calor ni flujo de aire adicionales. Se pueden utilizar filtros EMI, una resistencia de accionamiento GATE y modulación de frecuencia de espectro ensanchado para reducir la EMI.

Algunos vehículos utilizan iluminación LED para las luces de circulación diurna y las luces de señalización, pero no para las luces altas o bajas. Las luces de circulación diurna están diseñadas en una variedad de configuraciones diferentes, desde cadenas largas de LED con corriente relativamente baja hasta cadenas cortas con corriente alta. Un circuito integrado que puede soportar tanto la conversión de aumento como de reducción puede alimentar una luz de circulación diurna combinada y una luz de ajuste a veces encendida o una luz de señal ámbar. El uso de un IC que puede manejar sin problemas las transiciones de voltajes de cadenas apiladas en una topología ascendente y descendente permite a los diseñadores centrarse en la funcionalidad y la estética de la luz, sin preocuparse por el controlador. La atenuación se puede agregar a la mezcla con poco esfuerzo.

El controlador LED boost-buck LT3952 (pendiente de patente) en la Figura 4 regula 1A a través de una luz diurna compacta y una señal ámbar en serie o una luz de ajuste. La luz ámbar de 2 LED se puede parpadear o atenuar mediante PWM a través del MOSFET de cortocircuito M2 sin afectar el brillo de la luz de circulación diurna que funciona constantemente.

El resultado es un solo controlador de LED compacto de 1 A boost-buck cuya salida impulsa una luz de circulación diurna visiblemente estable de 2 a 4 LED y una luz de señal parpadeante y/o una luz de ajuste de atenuación variable.

Los transitorios de corriente LED se minimizan mediante la conmutación controlada de MOSFET M2, que se enciende para provocar un cortocircuito en la luz ámbar y se apaga para habilitar la luz ámbar. La Figura 5 muestra que la atenuación PWM de la luz ámbar funciona a 120 Hz para una atenuación 10:1 sin parpadeos sin afectar el brillo de la luz diurna. De manera similar, puede encenderse y apagarse a 1 Hz, digamos 10% atenuado "apagado" (u otro) a 100% "encendido" para actuar como una luz de señal de giro.

La nueva topología del controlador LED boost-buck permite que los rangos de voltaje de entrada y voltaje de salida se crucen entre sí, simplificando el diseño al reducir la necesidad de regulación previa.

El convertidor está protegido contra cortocircuitos y LED abiertos. Un diodo VF bajo opcional en el LED⁻ ruta proporciona LED⁻-to-GND protección además del LED⁺Protección a tierra del MOSFET TG (M1) y detección de sobrecorriente LT3952. La topología boost-buck tiene una ondulación de entrada y salida baja para una EMI muy baja, que se reduce aún más con la modulación de frecuencia de espectro ensanchado.

Para mejorar la eficiencia, el convertidor puede funcionar a una frecuencia de conmutación de 350 kHz (Figura 6). Las eficiencias de las dos opciones se comparan en la Figura 7. Tenga en cuenta que la solución de 2 MHz tiene las ventajas de un inductor de tamaño reducido y EMI por encima y fuera de la banda AM. A 350 kHz o 2 MHz, se pueden usar inductores desacoplados en lugar del inductor acoplado único en la topología boost-buck.

En entornos automotrices, es importante que una falla en la función de una lámpara no impida el funcionamiento de otros LED. El LT3795 y el LT3952 incluyen funciones de detección e informe de fallas que permiten que un controlador del sistema encienda los LED operativos, incluso cuando otras cadenas de la serie están defectuosas.

Usando los indicadores de falla y un interruptor de diagnóstico opcional adicional (M_CULPA), la computadora del sistema puede sondear los haces de LED encendiéndolos y apagándolos para determinar cuál tiene un abierto. El controlador del sistema puede hacer funcionar los haces de LED no defectuosos restantes mientras se produce un cortocircuito en el haz defectuoso. La cadena defectuosa se puede volver a sondear y poner en línea tan pronto como vuelva a estar en buen estado. Tanto el circuito LT3795 como el LT3952 manejan circuitos cortos y abiertos, por lo que el cortocircuito y la apertura de cadenas no representan un daño potencial para los circuitos.

Se pueden implementar lecturas de voltaje adicionales y detecciones de cortocircuitos para apagar las cadenas que se han cortocircuitado o para informar segmentos en cortocircuito que requieren servicio. Los circuitos del controlador de LED mantienen la funcionalidad y la confiabilidad incluso cuando una de las cadenas de LED se ha dañado.

Las luces LED automotrices combinadas se pueden controlar desde un controlador LED de un solo canal para ahorrar costos y espacio. Las cadenas de alta potencia y alto voltaje se pueden apilar en una topología de refuerzo, o se pueden encender y apagar varias cadenas de brillo o voltaje más bajo en la nueva topología de refuerzo. El uso de un solo controlador para varias cuerdas ahorra costos y complejidad al tiempo que conserva los beneficios estéticos.

El LT3795 y el LT3952 son circuitos integrados de controlador de LED potentes y flexibles que se pueden usar para cadenas de LED de grupo de faros combinados. Cuentan con alto voltaje, alta corriente, modulación de frecuencia de espectro ensanchado y protección contra cortocircuitos y LED abiertos.