CZ305489B6

CZ305489B6 - Pulzně spínaný ovladač pro LED osvětlení napájecího modulu LED diod u svítidel v automobilových aplikacích vybavených světelnými zdroji s LED diodami a napájecím modulem funkce a buzení LED diod

Info

Publication number: CZ305489B6
Application number: CZ2013-300A
Authority: CZ
Inventors: vrÄŤek Martin Ĺ; Jiří Kocián
Original assignee: Varroc Lighting Systems, s.r.o.
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2015-10-29
Also published as: US20140312790A1; DE102014105094A1; US9338842B2; CZ2013300A3

Abstract

Pulzně spínaný ovladač pro LED osvětlení napájecího modulu LED diod u svítidel v automobilových aplikacích vybavených světelnými zdroji s LED diodami a napájecím modulem funkce a buzení LED diod, kde napájecí modul (3) obsahuje minimálně jeden odporový regulátor (38) pracující v pulzně spínaném režimu, který je vstupem napojen na poslední katodu příslušné větve (33) LED diod a výstupem na vstupní elektrodu spínacího prvku (37), který je výstupní elektrodou připojen na uzemnění, přičemž řídicí elektroda spínacího prvku (37) je spojena s výstupem pulzního generátoru (36) s nastavenou střídou signálu v závislosti na vstupním napětí, přičemž tento pulzní generátor (36) s nastavenou střídou signálu v závislosti na vstupním napětí je propojen jednak snímacím vstupem se vstupním napětím ze vstupního obvodu (31) a jednak externím vstupem (35) pro umožnění kombinací světelných funkcí s externím signálem, přičemž anoda první diody v řetězci větve (33) LED diod je spojena se vstupním napětím z vstupního obvodu (31).

Description

Oblast techniky

Představovaný vynález se vztahuje ke světlometům a svítilnám automobilu obsahujících LED zdroje světla. Světelný výstup světlometů, nebo svítilny automobilů, potažmo LED zdrojů, musí odpovídat definovaným zákonným i jiným požadavkům, za různých pracovních podmínek. Toto zajišťuje napájecí modul pro diody LED (LED drive module - LDM), který napájí LED korektním proudem a rovněž zajišťuje jejich ochranu.

Dosavadní stav techniky

Moderní světelné zdroje automobilů se zaměřují na optický výkon, styl a vzhled a i moderní technologii jakou jsou LED zdroje a podobně. Design těchto prvků, se důsledkem stává postupně komplexnějším a komplikovanějším.

Napájení, respektive řízení LED (Light Emitting Diodě - světlo emitující dioda) je jedním z hlavních úkolů vývoje elektroniky. K napájení jednotlivých LED, případně řetězce nebo pole LED, jsou převážně používané proudové zdroje. Běžně se používají tři hlavní kategorie těchto zdrojů/regulátoru - rezistorové, lineární a spínané zdroje. Každá z těchto architektur má své výhody i nevýhody vztažené zejména k ceně, účinnosti a funkčnosti.

Rezistorový regulátor se skládá zejména z rezistorů sériově zapojených s diodami LED. Hlavní výhodou tohoto řešení je nízká cena a jednoduchost. Hlavní nevýhodou je, že regulátor nezajišťuje konstantní proud, respektive světelný výstup a má nízkou účinnost. Lineární regulátor již obsahuje polovodičové komponenty. Tento typ regulátoru umí zajistit konstantní proud/světelný výstup v definovaném rozsahu vstupních napětí při stále relativně nízké ceně. Nevýhodou je nízká účinnost. Spínané zdroje jsou nejkomplexnější, jsou založeny zpravidla na specializovaných integrovaných obvodech. Tento typ regulátoru umí zajistit stabilní světelný výstup/proud v širokém rozsahu vstupních napětí, umožňuje napájení více navzájem propojených LED a dosahuje vysoké účinnosti. Nevýhodou je vysoká cena a komplexita designu.

Nejbližší architektura podobná navrhovanému designu je aplikace, kde řídicí jednotka světel (Body Control Module - BCM) generuje pulzně-šířkově modulovaný signál (Pulse Width Modulation - PWM) v závislosti na napětí v síti automobilu, který napájí jednotku světel, jež je vybaven lineárním, nebo rezistorovým zdrojem. Použití PWM v BCM přináší několik nevýhod. V případě poruchy PWM jednotka světel není chráněná proti přepětí, což vede k další nákladům kjejí ochraně. Není definovaná individuální přenosová charakteristika PWM vs. vstupní napětí podle požadavků dané světelné jednotky (stejná BCM je používána pro více automobilů), BCM v modu PWM může vzhledem k vysokým pulzním proudům způsobovat zvýšené elektromagnetické rušení. Topologie kdy PWM je generována v BCM neumožňuje kombinaci nadproudové ochrany s využitím spínacího tranzistoru pracujícího v lineárním režimu. Konkrétní řešení, využívající pulzních generátoru s PWM, avšak s využitím jiných znaků či jiného účinku a funkce, je např. JP2003317978A, tedy řešení vozidlového osvětlení pomocí paralelních řetězců s LED diodami, využívajícími pulzní generátor PWM spínající tranzistor šířkovou modulací, avšak řízeným ze vstupní svorky S přes obvod detekce vstupního napětí a zpětnou vazbou odvozenou z propojených katod LED diod, nebo US2011156605, kde má každý řetězec vlastní spínací MOSFET tranzistor řízený jednotkou s PWM.

-1 CZ 305489 B6

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody do značné míry odstraňuje pulzně spínaný ovladač pro LED osvětlení napájecího modulu LED diod u svítidel v automobilových aplikacích vybavených světelnými zdroji s LED diodami a napájecím modulem funkce a buzení LED diod podle vynálezu, jehož podstata je v tom, že napájecí modul obsahuje minimálně jeden odporový regulátor pracující v pulzně spínaném režimu, který je vstupem napojen na poslední katodu příslušné větve LED diod a výstupem na vstupní elektrodu spínacího prvku, který je výstupní elektrodou připojen na uzemnění, přičemž řídicí elektroda spínacího prvku je spojena s výstupem pulzního generátoru s nastavenou střídou signálu v závislosti na vstupním napětí, přičemž tento pulzní generátor s nastavenou střídou signálu v závislosti na vstupním napětí je propojen jednak snímacím vstupem se vstupním napětí ze vstupního obvodu a jednak externím vstupem pro umožnění kombinací světelných funkcí s externím signálem, přičemž anoda první diody v řetězci větve LED diod je spojena se vstupním napětím z vstupního obvodu.

Dále je podstatou to, že když obsahuje více než jedno sériové propojení odporového regulátoru a větve LED diod, přičemž tato sériová propojení jsou anodami prvních LED diod v řetězci v jednotlivých větvích LED diod propojena na vstupní napětí ze vstupního bloku a výstupy všech odporových regulátorů jsou propojeny společně na vstupní elektrodu spínacího prvku, jakož i to, že paralelně k sériovému propojení větve/větví LED diod a odporového regulátoru je připojena nadproudová ochrana, nebo že vstup detekce selhání u pulzního generátoru s nastavenou střídou signálu v závislosti na vstupním napětí je propojen s blokem detekce selhání LED diod.

Podstatou je také to, že spínací prvek je unipolámí tranzistor, nebo že spínací prvek je bipolámí tranzistor.

Dále je výhodné, když pulzně spínaný generátor s nastavenou střídou signálu v závislosti na vstupním napětí je generátor pulzně šířkově modulovaného signálu.

Dále je výhodné, když pulzně spínaný generátor s nastavenou střídou signálu v závislosti na vstupním napětí je generátor realizující modulaci hustotou pulzů.

Dále je výhodné, když spínací prvek a pulzně spínaný generátor je integrován do polovodičového integrovaného obvodu.

Dále je výhodné, když odporový regulátor je částečně nebo plně integrován ve vstupním obvodě.

Dále je výhodné, když odporový regulátor je částečně nebo plně integrován ve vstupní kabeláži.

Navrhované řešení by mělo ukázat novou architekturu pro pulzně spínaný ovladač pro LED osvětlení napájecího modulu LED diod, které představuje kompromis mezi cenou, funkčnosti a účinnosti. Architektura tohoto systému je založena na kombinaci vlastnosti spínaných, lineárních a rezistorových regulátorů. Navržený design využívá pulzně šířkového generátoru (se vstupní napěťovou vazbou) integrovaného na LDM, který společně s rezistorovým regulátorem a podpůrnými komponenty zajišťuje konstantní světelný výstup v definovaném rozsahu vstupního napětí.

Hlavní výhodou je vysoká účinnost a relativně nízká cena. Zapojení umožňuje snadno definování různého proudu u jednotlivých LED, pokud je vyžadováno.

Objasnění výkresů

Příkladné provedení pulzně spínaného ovladače pro LED osvětlení napájecího modulu LED diod u svítidel v automobilových aplikacích vybavených světelnými zdroji s LED diodami a napájecím modulem funkce a buzení LED diod je znázorněno na připojených výkresech, kde představu-2CZ 305489 B6 je obr. 1 příklad realizace světelné funkce v aplikaci automobilového osvětlení, obr. 2 blokové schéma navrhované architektury LDM a obr. 3 přenosovou funkci - závislost střídy na vstupním napětí.

Příklady uskutečnění vynálezu

Pulzně spínaný zdroj pro LED osvětlení napájecího modulu LED diod u svítidel v automobilových aplikacích vybavených světelnými zdroji s LED diodami a napájecím modulem funkce a buzení LED diod má napájecí modul 3, který obsahuje minimálně jeden odporový regulátor 38 pracující v pulzně spínaném režimu, který je vstupem napojen na poslední katodu příslušné větve 33 LED diod a výstupem na vstupní elektrodu spínacího prvku 37, který je výstupní elektrodou připojen na uzemnění, přičemž řídicí elektroda spínacího prvku 37 je spojena s výstupem pulzního generátoru 36 s nastavenou střídou signálu v závislosti na vstupním napětí, přičemž tento pulzní generátor 36 s nastavenou střídou signálu v závislosti na vstupním napětí je propojen jednak snímacím vstupem se vstupním napětí ze vstupního obvodu 31 a jednak externím vstupem 35 pro umožnění kombinací světelných funkcí s externím signálem, přičemž anoda první diody v řetězci větve 33 LED diod je spojena se vstupním napětím z vstupního obvodu 31.

Pulzně spínaný zdroj může dále obsahovat více než jedno sériové propojení odporového regulátoru 38 a větve 33 LED diod, přičemž tato sériová propojení jsou anodami prvních LED diod v řetězci v jednotlivých větvích 33 LED diod propojena na vstupní napětí ze vstupního bloku 31 a výstupy všech odporových regulátorů 38 jsou propojeny společně na vstupní elektrodu spínacího prvku 37. Paralelně k sériovému propojení větve/větví LED diod a odporového regulátoru 38 je výhodně připojena nadproudová ochrana 34.

Vstup detekce selhání u pulzního generátoru 36 s nastavenou střídou signálu v závislosti na vstupním napětí je výhodně propojen s blokem 32 detekce selhání LED diod.

Spínací prvek 37 je unipolámí tranzistor nebo bipolámí tranzistor.

Pulzně spínaný generátor 36 s nastavenou střídou signálu v závislosti na vstupním napětí je výhodně generátor pulzně šířkově modulovaného signálu nebo generátor realizující modulaci hustotou pulzů.

Spínací prvek 37 a pulzní generátor 36 ie výhodně integrován do polovodičového integrovaného obvodu.

Odporový regulátor 38 je výhodně částečně nebo plně integrován ve vstupním obvodě 31. Odporový regulátor 38 ie částečně nebo plně integrován ve vstupní kabeláži 39.

Napájecí modul 3 v navrhované architektuře zajišťuje požadovaný světelný výstup v definovaném rozsahu napájecího napětí. Jádrem systému je pulzní generátor 36, který je součástí napájecího modulu 3. Obvody pulzního generátoru 36 generují pulzně šířkově modulovaný signál se střídou, jak definuje přenosová funkce podle obr. 3 v závislosti na vstupním napětí. Pulzní generátor 36 periodicky spíná a vypíná spínací prvek 37, který společně s odporovým regulátorem 38 zajišťuje konstantní světelný výstup v definovaném rozsahu vstupního napětí.

Přenosovou funkci na obr. 3 lze rozdělit do tří hlavních oblastí v závislosti na vstupním napětí. Oblast I představuje rozsah vstupního napětí, kde konstantní světelný výstup není přísně vyžadován, proud LED diodami a tím i světelný výstup je definován pouze pomoci odporového regulátoru 38. Oblast II představuje rozsah vstupního napětí, kde pulzní generátor 36 společně s odporovým regulátorem 38 zajišťuje přibližně konstantní světelný výstup. Konstantní světelný výstup je možný díky tomu, že pulzní generátor 36 zajišťuje proměnnou střídu vstupního napětí pro odporový regulátor 38 v závislosti na napájecím napětí, který napájí větve 33 LED diod s definova-3 CZ 305489 B6 nou energií. Oblast IH představuje rozsah vstupního napětí, kde spínací prvek 37 může pracovat v lineárně - spínaném modu. Spínací prvek 37 pracující v lineárním modu umožňuje redukovat proud světlo emitujícími diodami 4 tak, aby nebyly překročeny její mezní hodnoty.

Obr. 1 ukazuje příklad realizace světelné funkce obsahující optické a elektrické komponenty odpovědné za generování světla v aplikaci automobilového osvětlení. Zařízení se skládá z hlavního konektoru 1, optického systému 2, světlo emitujících diod 4 (zkráceně LED) a napájecího modulu 3. Hlavní konektor I reprezentuje vstupní elektronický interface lampy. Řídicí jednotka světel 5 (zkráceně BCM) zajišťuje přes kabeláž automobilu a hlavní konektor I lampy napájení příslušné světelné funkce. Optický systém 2 zajišťuje definovanou distribuci světla ze světelných zdrojů tvořených světlo emitujícími diodami 4 do požadovaného světelného svazku. Světlo emitující dioda 4 je elektronická polovodičová součástka generující světlo. Světlo je obecně generováno v relaci s velikosti proudu LED diodou. Napájecí modul 3 je elektronický díl zodpovědný za napájení světelných zdrojů tvořených světlo emitujícími diodami 4.

Obr. 2 ukazuje blokový diagram navrhovaného pulzně spínaného zdroje pro LED osvětlení v automobilových aplikacích. Blokový diagram se skládá z následujících prvků: vstupní obvod 31, blok 32 detekce selhání LED diod, větev/větve 33 LED diod, nadproudová ochrana 34, externí vstup 35, pulzní generátor 36, spínací prvek 37, odporový regulátor 38, řídicí jednotka 5 světel u automobilu a rozhraní 6 automobil/světlomet.

Vstupní obvod 31 zajišťuje ochranu lampy proti vnějším rušivým elektrickým signálům. Vstupní obvod 31 zajišťuje zejména ochranu proti napěťovým špičkám, ochranu proti reverzní polaritě, definuje vstupní impedanci, atp. Blok 32 detekce selhání LED diod představuje obvody pro detekci selhání jednotlivých LED diod 4 nebo jejich větví 33. Větev 33 LED diod se skládá z jedné a více LED diod 4, zapojených v sériovém nebo paralelním uspořádání. Externí vstup 35 umožňuje kombinaci dvou a více funkcí (např. Stop/Poziční světlo) integrované na společném napájecím modulu 3. Pulzní generátor 36 je klíčová součást napájecího modulu 3. Generuje signál pulzní šířkové modulace s proměnnou střídou v závislosti na vstupním napětí, jak ukazuje obr. 3. Frekvence tohoto signálu je volena tak, aby bylo zamezeno viditelnému blikání jednotlivých LED diod 4 postřehnutelného lidským okem neboli f_PWM>70 Hz. Spínací prvek 37, např. spínací tranzistor, připojuje a odpojuje odporový regulátor 38 podle signálu z pulzního generátoru 36. Odporový regulátor 38 definuje proud LED diodami 4. Nadproudová ochrana 34 pak představuje obvody zajišťující, že nebudou překročeny mezní parametry použitých LED diod 4. Pro vstupní napětí vyšší než definovaný práh pracuje spínací prvek 37 částečně v lineárním režimu, aby nebyl překročen maximální proud LED diodami 4. Řídicí jednotka 5 světel (neboli BCM) poskytuje napájecí napětí lampy k hlavnímu konektoru L Vstupní kabeláž 39 je možné realizovat odporovým vodičem a může tak částečně nebo plně nahradit funkci odporového regulátoru 38 a tímto zajistit rozložení nebo úplné přenesení ztrátového výkonu odporového regulátoru 38 přívodní vodiče.

Obr. 3 ukazuje přenosovou funkci, která popisuje závislost střídy generovaného PWM signálu v závislosti na napájecím napětí. Světelný výstup světlo emitujících diod ve větvích 33 LED diod závisí na proudu těmito diodami. Odporový regulátor 38 definuje proud LED diodami 4 v závislosti na napájecím napětí z řídicí jednotky 5 světel. Za účelem nastavení konstantního světelného výstupu musí být změny proudu v LED diodách 4 v závislosti na vstupním napětí kompenzovány. Toho lze docílit řízeným spínáním způsobem, kdy celkově dodaná energie do větví 33 LED diod je konstantní. K tomuto účelu je využito pulzně šířkové modulace (neboli PWM). Frekvence spínání musí ležet v oblasti, která není postřehnutelná lidským okem. Pak s využitím řízeného spínání lze docílit subjektivně konstantního vnímání svitu funkce v pracovním rozsahu vstupního napětí. Použití pulzně šířkové modulace společně s odporovým regulátorem 38 integrovaným do napájecího modulu 3 lze docílit signifikantního zlepšení v oblasti účinnosti respektive chlazení v porovnání s konvenčními lineárními, nebo odporovými regulátory.

-4CZ 305489 B6

Na obr. 3 jsou definované tři základní oblasti v závislosti na vstupním napětí. Oblast I představuje rozsah vstupních napětí funkce, kde konstantní světelný výstup není striktně vyžadován. V této oblasti pouze odporový regulátor 38 určuje proud světlo emitujícími diodami 4. Oblast II představuje rozsah vstupních napětí funkce, kde je vyžadován konstantní světelný výstup. Proměnná střída pulzně modulovaného signálu kompenzuje vlastnosti odporového regulátoru 38 způsobem, jak je popsáno výše. Oblast III představuje rozsah vstupních napětí funkce, kde světelná funkce není vyžadována, ale je nutné zajistit ochranu elektroniky. Toho lze dosáhnout poklesem střídy PWM signálu, případně pomoci implementace dedikované nadproudové ochrany 34. V tomto případě maximální proud světlo emitujícími diodami 4 je omezen i spínacím prvkem 37, pracujícím částečně i v lineárním režimu. Tento druh ochrany překonává jednu z hlavních nevýhod PWM řešení, jakou je vysoký pulzní proud světlo emitujícími diodami 4 v horním rozsahu provozních napětí. Použití tohoto způsobu ochrany výrazně nezvyšuje požadavky na parametry spínacího tranzistoru nebo chladicí plochy, protože ztrátový výkon se redukuje pouze do periody, kdy je PWM ve vysoké úrovni.

Průmyslová využitelnost

Zavádění těchto elektronických systémů umožňuje v automobilové technice zvýšit bezpečnost, obslužnost a spolehlivost, kdy řídicí systémy samotné nastavují optimální činnost v provozu svítidel u vozidel jako podstatné a neoddiskutovatelné složky optimálního provozu automobilu.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Pulzně spínaný zdroj pro LED osvětlení napájecího modulu LED diod u svítidel v automobilových aplikacích vybavených světelnými zdroji s LED diodami a napájecím modulem funkce a buzení LED diod, přičemž napájecí modul (3) obsahuje minimálně jeden odporový regulátor (38) pracující v pulzně spínaném režimu, který je vstupem napojen na poslední katodu příslušné větve (33) LED diod a výstupem na vstupní elektrodu spínacího prvku (37), který je výstupní elektrodou připojen na uzemnění, vyznačující se tím, že řídicí elektroda spínacího prvku (37) je spojena s výstupem pulzního generátoru (36) s nastavenou střídou signálu v závislosti na vstupním napětí, přičemž tento pulzní generátor (36) s nastavenou střídou signálu v závislosti na vstupním napětí je propojen jednak snímacím vstupem se vstupním napětí ze vstupního obvodu (31) ajednak externím vstupem (35) pro umožnění kombinací světelných funkcí s externím signálem, přičemž anoda první diody v řetězci větve (33) LED diod je spojena se vstupním napětím z vstupního obvodu (31).
2. Pulzně spínaný zdroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje více než jedno sériové propojení odporového regulátoru (38) a větve (33) LED diod, přičemž tato sériová propojení jsou anodami prvních LED diod v řetězci v jednotlivých větvích (33) LED diod propojena na vstupní napětí ze vstupního bloku (31) a výstupy všech odporových regulátorů (38) jsou propojeny společně na vstupní elektrodu spínacího prvku (37).
3. Pulzně spínaný zdroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že paralelně k sériovému propojení větve/větví LED diod a odporového regulátoru (38) je připojena nadproudová ochrana (34).
4. Pulzně spínaný zdroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že vstup detekce selhání u pulzního generátoru (36) s nastavenou střídou signálu v závislosti na vstupním napětí je propojen s blokem (32) detekce selhání LED diod.

-5 CZ 305489 B6
5. Pulzně spínaný zdroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že spínací prvek (37) je unipolámí tranzistor.
6. Pulzně spínaný zdroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že spínací prvek (37) je bipolámí tranzistor.
7. Pulzně spínaný zdroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že pulzně spínaný generátor (36) s nastavenou střídou signálu v závislosti na vstupním napětí je generátor pulzně šířkově modulovaného signálu.
8. Pulzně spínaný zdroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že pulzní generátor (36) s nastavenou střídou signálu v závislosti na vstupním napětí je generátor realizující modulaci hustotou pulzů.
9. Pulzně spínaný zdroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že spínací prvek (37) a pulzní generátor (36) je integrován do polovodičového integrovaného obvodu.
10. Pulzně spínaný zdroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že odporový regulátor (38) je částečně nebo plně integrován ve vstupním obvodě (31).
11. Pulzně spínaný zdroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že odporový regulátor (38) je částečně nebo plně integrován ve vstupní kabeláži (39).

3 výkresy

Seznam vztahových značek:

1 - hlavní konektor

2 - optický systému

3 - napájecí modul (LDM)

4 - světlo emitující dioda/y (LED)

5 - řídicí j ednotka světel (BCM)

6 - rozhraní automobil/světlomet

31 - vstupní obvod

32 - blok detekce selhání LED diod

33 - větev LED diod

34 - nadproudová ochrana

35 - externí vstup

36 - pulzní generátor

37 - spínací prvek

38 - odporový regulátor

39 - vstupní kabeláž

I, II, III - oblast závislá na vstupním napětí,