Buck-Boost krmilnik poganja celotni LED grozd žarometa

Revija logo analog 300x84 - Buck-Boost krmilnik poganja celotni LED grozd žarometaAnalog Devices, Inc.
Avtor: Keith Szolusha
E-pošta: keith.szolusha@analog.com
2018_265_14

Enojni 2 MHz Buck-Boost krmilnik poganja celotni LED grozd žarometa, ustreza CISPR 25 Class 5 EMI.

265 14 01 200x300 - Buck-Boost krmilnik poganja celotni LED grozd žarometaAvtomobilski LED grozdi v žarometu vsebujejo dolge in kratke luči, dnevne luči in včasih signalne in opozorilne luči – vse v enem grozdu LED žarometa. Komponente grozda lahko imajo precej drugačne zahteve za krmiljenje, vključujoč napetostne ali tokovne zahteve, topologijo, nivoje moči ali edinstvene funkcije zatemnitve. Če želimo ustreči vsem tem zahtevam to običajno pomeni, da moramo uporabiti različne rešitve krmiljenja. Uporaba večjega števila krmilnikov ne zakomplicira samo BOMov in proizvodnje, lahko tudi predstavlja probleme pri združljivosti z EMI standardi. Vsak dodaten krmilnik doda svoje visokofrekvenčne signale v EMI mešanico in pri tem zakomplicira EMI kvalifikacijo in težave pri zmanjšanju.

Čeprav grozd LED v žarometu za vsako vrsto avtomobila in model lahko vsebuje veliko število LED tokov in napetosti, je običajno njihova skupna moč 30 W. S tem v mislih gotovo obstaja veliko število krmilnikov, ki ustrezajo zahtevam po moči in drugim lastnostim za vsako verigo v grozdu. Ampak ne obstajajo. Takšen krmilnik mora delovati pri relativno širokem območju napetosti baterije in z uporabo buck-boost topologije dobimo veliko različnih napetosti posameznih verig. Krmilnik mora biti majhen in vsestranski, tak da ga enostavno vgradimo v prostorsko omejen grozd, mora proizvajati nizek EMI s čemer zmanjša R&D prizadevanja in mora eliminirati potrebo po dragih kovinskih ohišjih, ki zmanjšajo EMI. Mora biti tudi učinkovit. Power by Linear™ LT8391A 2 MHz buck-boost krmilnik je enkraten in ustreza vsem tem zahtevam, zaradi česar lahko krmili celoten grozd žarometa in še več, z enim krmilnikom.

LT8391A 2 MHz sinhroni krmilnik z nizkim EMI

LT8391A je prvi od svoje vrste – 2 MHz buck-boost krmilnik za krmiljenje LED toka. Visoka 2 MHz stikalna hitrost omogoča uporabo ene majhne tuljave in fizično majhnost rešitve za visoke moči LED aplikacij. Za razliko od monolitnih pretvornikov, katerih močnostna stikala se nahajajo znotraj čipa, krmilnik kot je LT8391A lahko krmili zunanja močnostna stikala z veliko večjimi vršnimi tokovi do 10 A. Takšni vršni tokovi bi lahko uničili ohišje majhnega čipa tipičnih pretvornikov. V nasprotju s tem pa krmilnik s sinhronimi MOSFETI z merami 3 mm x 3 mm lahko zagotavlja precej višjo moč. Te MOSFET-i so lahko vezani v tesnih četvorkah s “hot-loop” kondenzatorji za zelo nizek EMI. Enkratna arhitektura ojačevalnika, ki meri vršni stikalni tok, ima vezan serijski upor poleg močnostne tuljave, ki je izven kritičnih vhodnih in izhodnih vročih zank – kar zmanjša EMI. Opcijska frekvenčna modulacija z razpršenim spektrom (SSFM) nadalje zmanjša EMI krmilnika.

2 MHz LT8391A 16 V, 1,5 A (24 W) buck-boost LED krmilnik na Sliki 1 dosega visoko učinkovitost do 93 % z EMI filtri in upori v vratih kot prikazano na Sliki 2. Učinkovitost je 1 % do 2 % višja, če opcijsko odstranimo EMI komponente. Z majhnimi 3 mm x 3 mm MOSFETi in eno močnostno tuljavo temperatura pretvornika zelo malo zraste celo pri 24 W. Pri 12 V vhodne napetosti se nobena komponenta ne segreje višje od 25 °C nad sobno temperaturo. Pri 6 V vhodne napetosti najtoplejša komponenta zraste na temperaturo nižjo od 50 °C pri standardnem 4-slojnem TIV in brez hladilnih teles ali pretoka zraka. Nadaljuje z delovanjem pri polni obremenitvi 24 W pri vhodnih transientih navzdol do 4,3 V; ali zmanjšanem toku skozi breme preko analogne ali PWM zatemnitve, ko vhod pade za daljše periode. Upor za zaznavanje 8 A do 10 A toka omogoča to visoko moč tudi pri nizki VIN .

LT8391A vključuje zatemnitvene lastnosti najnovejšega PWM dimerja in zaščito pred odprtimi LED sponkami. Ta sinhroni buck-boost krmili tok preko verige LEDic z napetostjo, ki se lahko ali pa tudi ne, nahaja znotraj obsega vhodne napetosti, kot na primer 9 V do 16 V za avtomobilski akumulator ali akumulator tovornjaka (18 V do 32 V). Lahko deluje navzdol do 4,0 V s hladim zagonom in lahko zdrži do 60 V vhodnih napetostnih konic. LT8391A omogoča razmerje PWM zatemnitve do 2000:1 pri 120 Hz in lahko uporablja svoj notranji zatemnilni PWM generator do 128:1 točnega zatemnilnega razmerja brez potrebe po zunanjem PWM taktu.

CISPR 25 EMI za avtomobilske aplikacije

2 MHz LT8391A LED krmilnik na Sliki 1 je načrtovan za avtomobilske žaromete. Uporablja AEC-Q100 komponente in ustreza CISPR 25 Class 5 EMI standardom za sevanje. Frekvenčna modulacija z razpršenim spektrom (SSFM) zmanjšuje EMI in tudi deluje brez utripanja simultano pri PWM zatemnitvi. Njegova fizična majhnost je poudarjena z majhno tuljavo in posebej majhnimi vhodnimi in izhodnimi EMI filtri. Veliki LC filtri niso potrebni za 2 MHz pretvornike in zgolj majhne feritne cevke so uporabljene za zmanjševanje visokofrekvenčnega EMI. Ni enostavno doseči zahtev za avtomobilski EMI pri močnostnih pretvornikih. Močnostna stikala in tuljave, ki se nahajajo na velikih TIV poleg velikih kondenzatorjev lahko povzročijo neželene vroče zanke, še posebej kadar vsebujejo velike upore za zaznavanje toka. Enkratna LT8391A buck-boost arhitektura odstrani upor za zaznavanje izven vroče zanke buck in boost para stikal, kar pomeni nizek EMI.

Slika 3 in Slika 4 kažeta izmerjen EMI na 24 W LED krmilniku iz Slike 1. Kljub temu, da ta krmilnik deluje na 2 MHz in 24 W, ta buck-boost krmilnik opravi CISPR 25 Class 5 za izsevane in prevodne EMI. Class 5 je najbolj stroga zahteva in pomeni cilj za večino avtomobilskih EMI testiranj. Pretvorniki, ki ne opravijo Class 5 EMI se bodisi odstranijo iz načrtovanja za avtomobilska vezja ali pa se morajo nahajati v velikih kovinskih EMI zaščitah. Četudi velikost te zaščite ne bi pomenila problemov pri sestavljanju, pa pomeni dodatne stroške.

Buck-Boost za aplikacije z več lučmi v žarometih

LED grozdi za žaromete so lahko tako inovativni kot tudi umetniško kreativni. Dolge in kratke luči so lahko združene s čudovito različnimi dnevnimi lučmi (DRL). Ker so dnevne luči potrebne samo takrat, ko so dolge in kratke luči ugasnjene, se lahko uporabi enojni LED krmilnik, ki krmili bodisi LEDice za dolge in kratke luči ali dnevne luči. To je možno samo takrat, ko ima LED krmilnik fleksibilno razmerje vhod-na-izhod in je zmožen obojega – pretvoriti napetost navzgor in navzdol za vhodno/izhodno napetost. Temu ustreza buck-boost vezje.

LED krmilnik za več avtomobilskih luči LT8391A na Sliki 5 lahko krmili LED verigo z napetostmi od 3 V do 34 V. To mu omogoča, da krmili obe – verigo za kratke luči in če tej verigi doda verigo LED, kreira dolge luči. Isti krmilnik lahko preklopi in krmili dnevne luči z višjo napetostjo in nižjim tokom. Pri preklopu LEDic iz kratkih luči na kratke/dolge se ne generira nobenih napetostnih konic na izhodni napetosti ali pri LED toku, kot je prikazano na Sliki 6. LT8391A lahko mehko preide med boost, 4-switch buck-boost, in buck režimom delovanja. Menjava med majhnim številom na večje število LEDic brez LED konic je lahko izziv za pretvornik, vendar to vezje za več luči to naredi z lahkoto.

Preklop nazaj iz dolgih in kratkih luči v zgolj kratke luči je zelo čist, brez škodljivih LED konic, kot je prikazano na Sliki 6b.

Isto velja za vklop ali izklop dnevnih luči. Slika 6c demonstrira kako izklopiti kratke luči, dnevne luči pa se mehko povežejo na izhodni kondenzator. Tudi tok skozi LED se spremeni iz 1 A (dolge in kratke luči) na 700 mA (8 LED za dnevno luč) brez problemov. Druge »trim« ali signalne LEDice lahko tudi dodamo, tudi dnevna luč lahko utripa kot signalna luč. Slika 6d kaže kako lahko zatemnimo dnevno luč z interno nastavljenim PWM generatorjem in potem mehko preklopimo na kratke luči, ko se stemni.

Avtomobilsko okolje zahteva robustne rešitve v smislu kratkih stikov in odprtih sponk LEDic. Kratek stik ali odprto vezje so pogoji, ki jih varno obdela rešitev za več luči prikazana na Sliki 6. Pogoje sporoča preko signalne zastavice za okvaro v pretvorniku.

FE in QFN ohišji ustrezata majhnim mestom

LT8391A je na voljo v 4 mm × 5 mm, 28-pin QFN ohišju zato, da ustreza zahtevam majhnosti in 28-pin TSSOP FE ohišju za avtomobilska vezja. Obe ohišji imata termično povečane GND pade za povečano odvajanje toplote internega INTVCC LDO v primeru višjih vhodnih napetosti.
Interni LDO INTVCC regulator v teh pretvornikih zmore krmiliti štiri sinhrone MOSFETe pri 2 MHz znotraj približno 15 nC naboja vrat. Majhnost LT8391A FE 2 MHz 16 V, 1,5 A demonstracijskega vezja (DC2575A, ki je narejen na osnovi sheme s Slike 1) je prikazan na Sliki 7. Zgolj ena 5 mm × 5 mm tuljava je potrebna za to vsestransko aplikacijo visoke moči.

LT8390 LT8390A LT8391 LT8391A
Napetostni Regulator x x x
LED krmilnik x
Avtomobilski vhod/izhod v obsegu do 60 V x x x x
Stikalna frekvenca 150 kHz to
650 kHz
600 kHz to
2 MHz
150 kHz to
650 kHz
600 kHz to
2 MHz
Vezje z optimizirano vročo zanko za nizek EMI x x x x
Frekvenčna modulacija z razpršenim spektrom za nizek EMI x x x x
Izhodna moč 450 W+ 50 W+ 450 W+ 50 W+
Ohišje 4 mm × 5 mm, 28-pin QFN, 28-pin TSSOP FE 4 mm × 5 mm, 28-pin QFN, 28-pin TSSOP FE 4 mm × 5 mm, 28-pin QFN, 28-pin TSSOP FE 4 mm × 5 mm, 28-pin
QFN, 28-pin TSSOP FE

Zaključek

LT8391A 2 MHz, 60 V buck-boost krmilnik za LED poganja LED verige v avtomobilskih žarometih. Njegove lastnosti vključujejo nizek EMI 4-switch arhitekturo in frekvenčno modulacijo razpršenega spektra z namenom, da ustreza CISPR 25 Class 5 EMI zahtevam. Edinstvena visoka stikalna frekvenca omogoča, da deluje na AM frekvenčnem področju, zaradi česar potrebuje zelo malo EMI filtriranja. Njegova majhnost in vsestranskost omogoča uporabo LED grozdov v žarometih pri velikem izboru napetosti in tokov.

www.analog.com