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Los LED exhiben un tiempo de aumento de la iluminación aproximadamente dos veces más rápido que el de las fuentes incandescentes. Son más eficientes, de menor tamaño y ofrecen una vida útil superior. Eso es lo que los hace tan atractivos para los diseñadores de la industria automotriz.
Para alimentar una cadena de LED, necesitamos una fuente regulada por corriente. Una fuente con voltaje constante no puede producir una iluminación constante porque el voltaje a través de la cadena de LED puede variar con el número de LED y la temperatura ambiente; el voltaje directo del LED disminuye en 2 mV / ° C, una característica que requerirá atención. Un controlador de LED es básicamente una fuente regulada por corriente con algunas características útiles para alimentar los LED.
En este artículo, veremos el BD18337EFV-M, que es un controlador LED recientemente lanzado fabricado por ROHM Semiconductor. El nuevo controlador LED está diseñado para aplicaciones automotrices. Quizás, la característica más importante de este controlador LED es su capacidad de gestión térmica. Analizaremos esta función con gran detalle y compararemos el nuevo dispositivo con soluciones convencionales.

Esquema de aplicación típico del nuevo controlador LED

En la Figura 1 se muestra un esquema de aplicación típico del BD18337EFV-M (y su producto hermano BD18347EFV-M). Como se muestra en esta figura, el nuevo dispositivo es un controlador de cuatro canales.

Figura 1. Esquema de aplicación típico de BD18337EFV-M. Imagen utilizada por cortesía de ROHM Semiconductor

Cada canal puede proporcionar una corriente fija de hasta 150 mA para alimentar su cadena de LED. La precisión de la corriente de salida es de ± 5%. La corriente procedente de cada canal está determinada por la resistencia conectada al pin SET correspondiente y está dada por la siguiente ecuación:

$$ I_ {OUTx} = frac {K_ {SET}} {R_ {SETx}} $$ (en amperios)

donde $$ K_ {SET} $$ es el coeficiente de ajuste de corriente de salida con un valor típico de 1800 y $$ R_ {SETx} $$ es la resistencia de ajuste de corriente. La corriente de salida medida frente al valor de la resistencia se representa a continuación:

Figura 2. Corriente de salida vs. valor de resistencia. Imagen utilizada por cortesía de ROHM Semiconductor

Rango de voltaje de entrada

La tensión de alimentación de un vehículo puede tener grandes variaciones. Por ejemplo, mientras que el voltaje de la batería del automóvil debe ser típicamente de aproximadamente 12 V, a veces puede llegar hasta 6 V. Estas fluctuaciones de suministro dificultan el diseño de la electrónica automotriz.
El BD18337EFV-M admite un amplio rango de entrada de 5.5 V a 20 V. Aunque el dispositivo admite este rango de voltaje, aún necesitamos proporcionar un voltaje de entrada suficientemente alto dependiendo de la cantidad de LED que se alimentan por cada canal (N) y la corriente de salida total del controlador $$ I_ {OUTx – Total} $$.
La ecuación para el voltaje de entrada mínimo se da a continuación:

$$ V_ {IN} geq N times V_ {Forward – LED} + V_ {DR} + R_ {VIN – VINRES} times I_ {OUTx – Total} $$

Si consideramos solo el primer término en la mano derecha, observamos que el voltaje de entrada no puede ser menor que la caída de voltaje a través de la cadena de LED ($$ N times V_ {Forward-LED} $$). Para obtener más detalles sobre esta ecuación, consulte la hoja de datos del dispositivo.

Control de energía compartida

Como se discutió anteriormente, el BD18337EFV-M admite un amplio rango de entrada de 5.5 V a 20 V.
Este amplio rango de entrada puede conducir a un gran consumo de energía en el dispositivo en aplicaciones donde se aplica un alto voltaje de entrada al dispositivo y la salida está en un voltaje relativamente bajo. Como ejemplo, considere el esquema simplificado que se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Esquema simplificado de BD18337EFV-M. Imagen (modificada) utilizada por cortesía de ROHM Semiconductor

Suponga que el voltaje de entrada es 18 V y que los cuatro canales de salida están a 6 V, es decir, $$ V_ {OUTx} $$ = 6 V para x = 1 a 4.
¿Cuál sería una estimación aproximada de la potencia quemada en el controlador si la corriente de salida total es de 400 mA ($$ I_ {OUTx-Total} = I_ {OUT1} + I_ {OUT2} + I_ {OUT3} + I_ {OUT4} = 400 mA $$)?
Suponiendo que la corriente ingresa al dispositivo solo a través del pin VIN y sale solo a través de las cuatro salidas mostradas anteriormente, podemos concluir que aparece una caída de voltaje de 18 V – 6 V entre los pines de entrada y salida.
Teniendo en cuenta la corriente total que pasa por el dispositivo, podemos calcular la potencia quemada en el dispositivo como:

$$ P_ {IC} $$ = (18 – 6) V x 400 mA = 4.8 W

Esta cantidad de energía puede aumentar la temperatura interna del CI a un nivel inaceptable dependiendo de la resistencia térmica del paquete.
Para resolver este problema, el BD18337EFV-M emplea una técnica interesante denominada "Control de energía compartida" en la hoja de datos. El "Control de energía compartida" disipa la potencia adicional que puede sobrecalentar el dispositivo en una resistencia externa.
Esta resistencia externa debe colocarse entre los pines VIN y VINRES como se muestra en la siguiente figura.

Figura 4. Configuraciones de salida de corriente del BD18337EFV-M. Imagen utilizada por cortesía de ROHM Semiconductor

El bloque "Energy Sharing Control" controla el voltaje de salida de los canales y mantiene el voltaje VINRES dentro de 2 V, el voltaje de salida máximo (máximo $$ V_ {OUTx} $$). Por lo tanto, la potencia adicional puede ser disipada por la resistencia $$ R_ {EXT} $$ cuando el voltaje de entrada es mucho mayor que el voltaje de salida.
La hoja de datos proporciona varios gráficos para ilustrar cómo se comparte la potencia total entre el controlador IC y la resistencia externa. Por ejemplo, la siguiente figura muestra un experimento en el que los cuatro canales de salida están a 6 V ($$ V_ {OUTx} $$ = 6 V para x = 1 a 4), la corriente de salida total es de 400 mA y el voltaje de entrada es barrido de 5 V a 20 V.

Figura 5. Consumo de energía a través de IC y REXT cuando la corriente de salida total es de 400 mA y el voltaje de entrada es barrido de 5 V a 20 V. Imagen utilizada por cortesía de ROHM Semiconductor

La figura muestra la potencia del controlador (Pc_IC) y la potencia de la resistencia externa (Pc _ $$ R_ {EXT} $$) para tres valores diferentes de la resistencia externa. Con $$ R_ {EXT} $$ = 15 Ω, tenemos Pc_IC ≈ 2.4 W y Pc _ $$ R_ {EXT} $$ ≈ 2.6 W.
Como puede ver, casi la mitad de la potencia total es consumida por la resistencia externa; La resistencia externa reduce el calor generado por el CI. La Figura 6 muestra una medición para verificar la eficiencia del mecanismo de energía compartida.

Figura 6 Resultados de medición del intercambio de energía. Imagen utilizada por cortesía de ROHM Semiconductor

En este experimento, el voltaje de entrada cambia de 9 V a 13.5 V a 16 V mientras que el voltaje de salida es 6.25 V. La resistencia externa $$ R_ {EXT} $$ = 31 Ω es creada por dos resistencias de 62 Ω en paralelo.
Para comprender mejor las ventajas del mecanismo de intercambio de energía discutido anteriormente, echemos un vistazo a otro controlador LED que intenta disipar la energía innecesaria en resistencias externas.

Otro controlador LED con un mecanismo similar de energía compartida

La familia E522.90 / 91/92/93 de Elmos Semiconductor AG admite una opción de gestión térmica similar a la empleada por el BD18337EFV-M. A continuación se muestra el circuito de aplicación típico para la familia E522.90 / 91/92/93.

Figura 7 Circuito de aplicación típico para E522.90 / 91/92/93. Imagen utilizada por cortesía de Elmos AG

El voltaje de entrada de esta familia de controladores varía de 5 V a 25 V. El controlador disipará una cantidad excesiva de energía en aplicaciones donde se utiliza una entrada alta pero la salida tiene un voltaje relativamente bajo.
Para manejar la cantidad excesiva de energía disipada en el controlador, la familia de dispositivos E522.90-93 utiliza dos pines de salida, LEDxA y LEDxB, por canal de salida (representado en el lado derecho de la figura anterior). El dispositivo intenta regular la suma de las corrientes originadas por estos dos pines de salida.
La corriente del canal será suministrada principalmente por la salida LEDxB. Este pin está conectado a la cadena de LED a través de una "resistencia de gestión térmica". Por lo tanto, el pin LEDxB tendrá un voltaje más alto en relación con el voltaje aplicado a la cadena de LED. Y parte de la potencia adicional se puede disipar en la resistencia externa en lugar del controlador.
Sin embargo, la caída de voltaje a través de la resistencia puede limitar el margen de voltaje para grandes corrientes de salida. Es por eso que el LEDxB suministrará la corriente siempre que tengamos suficiente margen de voltaje. Cuando la corriente en la salida LEDxB cae por debajo del valor objetivo debido a la limitación del margen de voltaje, la salida LEDxA se activará para suministrar el resto de la corriente de modo que la suma de las corrientes permanezca regulada.

¿Cómo afecta el nuevo "Control de energía compartida" al área del tablero y a la carga de diseño?

Mientras que la administración de energía de la familia E522.90 / 91/92/93 requiere dos pines de salida por canal, el mecanismo de energía compartida del BD18337EFV-M usa un solo pin para disipar la energía extra en una resistencia externa. Esto puede reducir el tamaño de la placa mediante la implementación de un controlador de alta corriente de cuatro canales en un paquete compacto de 16 pines.
Además, el nuevo dispositivo puede simplificar el diseño térmico porque la administración de energía de los cuatro canales de salida se logra mediante una sola resistencia externa. Parece que el nuevo controlador LED puede reducir el área de la placa y simplificar la gestión térmica. Sin embargo, me pregunto si hay un caso de uso en el que la gestión térmica independiente de los canales puede ser útil. Si existe tal aplicación, podríamos preferir un dispositivo de la familia E522.90 / 91/92/93 al controlador LED recientemente lanzado por ROHM Semiconductor.

Conclusión

La gestión térmica de un controlador LED se convierte en un desafío, especialmente en aplicaciones donde se aplica un alto voltaje de entrada al dispositivo y el voltaje de salida es relativamente bajo. En estos casos, se puede emplear un mecanismo de intercambio de energía similar al empleado en el BD18337EFV-M de ROHM Semiconductor o la familia E522.90 / 91/92/93 de Elmos Semiconductor.
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