Si bien el principal requisito para el funcionamiento de un controlador de LED es que suministre una corriente constante a los LED con el fin de generar una iluminación consistente, su aplicación en el automóvil –a diferencia de otros segmentos del mercado– presenta mayores exigencias por lo que respecta a los rangos de temperatura y humedad, tensión, capacidad para resistir productos químicos agresivos, interferencias electromagnéticas y compatibilidad electromagnética (EMI), así como circuitería de protección.

Este artículo describe las diferentes opciones que tienen los diseñadores para integrar una solución de controlador de LED. ROHM ha ampliado su oferta de CI controladores de LED de alta integración para ofrecer toda una variedad de opciones de diseño con salidas conmutadas integradas o externas, control en paralelo/serie así como numerosas funciones de protección y detección de averías en encapsulados para montaje superficial de tamaño reducido.
Entre las aplicaciones de los LED en el automóvil se encuentran la iluminación del interior (como la iluminación del techo, el tablero de instrumentos y el espacio para las piernas), luces de indicadores y de aviso, retroiluminación para infoentretenimiento, así como funciones en el exterior (señalización) como luces traseras, intermitentes, luces de freno (incluyendo las luces de freno montadas en la parte central superior), de aparcamiento, en el lateral, antiniebla y para iluminación diurna.

 

En tiempos más recientes, algunos fabricantes de coches han introducido, en modelos en fase de producción, lámparas para iluminación delantera basada en LED de alto brillo. En algunos casos, la capacidad de un controlador de LED puede permitir la introducción de los mismos LED en más de una aplicación. Los principales fabricantes de faros delanteros para el automóvil han suministrado prototipos con LED de alto brillo y casi todos los fabricantes de coches han mostrado a su vez prototipos de vehículos que incorporan este tipo de iluminación; se prevé que algunos vehículos estándar incorporarán iluminación delantera basada en LED en 2012. Dado que los LED siguen mejorando su eficiencia y reduciendo su coste (los niveles de luz generada en los dispositivos con LED encapsulados se duplican cada 18 meses aproximadamente), los vehículos van a utilizar un creciente número de LED y de controladores de LED. Gracias al bajo consumo de los LED si se compara con la iluminación convencional, se estima un consumo de 0,2 litros de combustible cada 100 km y unos 4 gramos menos de emisiones/km de CO2 representan una ventaja definitiva que aporta la sustitución de iluminación incandescente por LED tan solo para la iluminación diurna. En los vehículos eléctricos e híbridos, una reducción del consumo de energía del 85% gracias al uso de LED en lugar de bombillas incandescentes se traduce en una mayor autonomía. Como resultado de ello, existen varias razones convincentes para la implementación de LED en aplicaciones del automóvil. Una parte fundamental es la gestión de potencia que proporcionan los CI controladores.

Requisitos del controlador de LED
Los LED necesitan una corriente constante para generar una iluminación consistente. Por tanto, este constituye el principal requisito para el funcionamiento de un controlador de LED. La precisión de la fuente de corriente determina el atractivo para el cliente. Deben evitarse las fluctuaciones de la corriente que se producen debido a las variaciones de la fuente de tensión en los vehículos. Los reguladores lineales ofrecen un control sencillo y no necesitan filtros de interferencias electromagnéticas (EMI). No obstante, su disipación de potencia puede resultar excesiva en aplicaciones de alta potencia. Los convertidores CC/CC reductores (buck) se emplean a menudo como el paso siguiente. Cuando el controlador gestiona varios LED en serie se emplea un convertidor elevador (boost). En algunos casos, una topología reductor-elevador (buck-boost) ofrece la posibilidad de cubrir diversos requisitos de la aplicación, entre ellos la capacidad de manejar una tensión de alimentación variable.

Los controladores de LED se pueden diseñar de manera que ofrezcan una combinación de control de LED en serie y en paralelo. Los dispositivos con esta capacidad están proporcionando a los diseñadores de circuitos la flexibilidad de controlar LED en diferentes aplicaciones con un solo controlador en lugar de exigir diferentes dispositivos que aumentan el trabajo de desarrollo y las pruebas de homologación. La atenuación del nivel luminoso es un requisito habitual para la iluminación del interior. Sin embargo, la iluminación exterior tiene aplicaciones que exigen el suministro de diferentes niveles de brillo con el mismo LED. Por ejemplo, a las luces de freno/traseras, los faros de haz corto/faros de iluminación diurna y los faros delanteros largos/cortos se les denomina puntos de luz de doble nivel. En algún caso, el diseño de la iluminación puede cubrir ambas situaciones con el mismo LED mediante el uso del controlador de LED apropiado. Para los entornos adversos del automóvil se necesitan varios circuitos de  protección con el fin de evitar la avería del dispositivo bajo condiciones de fallo.

Consideraciones sobre el diseño para el automóvil
A diferencia de otros segmentos del mercado, las aplicaciones en el automóvil presentan unos requisitos más exigentes que los reflejados en los estándares de la industrias y en las especificaciones de compra, entre ellos los rangos de temperatura y humedad, el rango de la tensión de alimentación, la capacidad de resistir productos químicos agresivos, interferencias electromagnéticas y compatibilidad electromagnética (EMC), así como los requisitos sobre fiabilidad fijados por las pruebas de homologación.

El rango de tensiones para el automóvil se prolonga más allá del funcionamiento normal de 9 a 16V (nominalmente 14V) para cargar la batería de 12,6V bajo una temperatura ambiente e incluye unas condiciones extremas de funcionamiento como batería inversa (-12V), arranque mediante conexión a otra batería con una doble tensión de batería (+24V) y condiciones de avería como la descarga repentina que se produce cuando la batería se desconecta del alternador, y otros transitorios de tensión. Una descarga repentina y descontrolada puede durar hasta varios centenares de milisegundos y puede superar fácilmente los 80V pero actualmente numerosos fabricantes han centralizado los circuitos de control de descarga repentina y por tanto exigen que tales componentes resistan transitorios hasta niveles de aproximadamente 40 a 60V. Además de los elevados requisitos de tensión, las condiciones de arranque podrían provocar tensiones más reducidas que exigen tener preparadas unas contramedidas para las condiciones en los casos más adversos.
La alta fiabilidad de las aplicaciones en el automóvil viene indicada por la necesidad de circuitería de protección frente a sobretensiones, subtensiones, polaridad inversa, sobrecorrientes, cortocircuitos y sobretemperatura en numerosos CI. También se ha de verificar la vida operativa del componente mediante un extenso número de pruebas. El objetivo del fabricante del vehículo para la vida operativa podría ser una garantía de 10 años y 150.000 km.

Salidas del LED discretas o integradas
Dependiendo de la necesidad de potencia de los LED, podría resultar útil implementar controladores de LED con transistores integrados o externos. No obstante, existen ventajas e inconvenientes si se integran los MOSFET en el CI controlador del LED. Los interruptores de LED integrados reducen el número de componentes al ahorrar espacio en la placa y simplificar la lista de dispositivos ya que también garantizan la perfecta coordinación entre transistor y controlador. Si aumenta el nivel de potencia, como por ejemplo cuando el controlador del LED gestiona LED de alto brillo o cuando se necesita controlar matrices de LED, es mucho mejor pensar en la opción externa ya que así se facilita la disipación de calor.
Los controladores de LED de ROHM se dividen en tres grandes segmentos:

a)    Controladores monocanal y multicanal para retroiluminación.
b)    Controladores para interruptores y LED únicos en paralelo.
c)    Controladores complejos para iluminación exterior.

La retroiluminación es especialmente necesaria para visualizadores (de tamaño medio y grande) en sistemas de radionavegación y en la pantalla central de información. La oferta de ROHM comprende controladores de LED con uno, dos, tres o cuatro canales con el fin de cumplir los diferentes requisitos y tamaños del visualizador. Se utiliza un sistema reductor-elevador como topología que permite asimismo el ajuste del brillo y la legibilidad del visualizador en un amplio rango de niveles de luz ambiental y de fuentes, desde la plena exposición a la luz solar hasta la oscuridad. El BD81A33 de tres canales solo necesita unos pocos componentes externos y se suministra en un encapsulado SSOP28 apto para altas temperaturas (ver figura 1).
La frecuencia de conmutación de los controladores para los LED de retroiluminación puede ser de hasta 2,2MHz con el fin de reducir el tamaño de los componentes externos (p.ej. la bobina) y eliminar la influencia de las EMI en la banda de AM. La tensión de alimentación tiene un valor de 4,5V hasta aprox. 40V y la corriente máxima de salida es de 120 a 400 mA por canal (dependiendo del controlador). El máximo número de LED en serie en cada matriz depende de la polarización directa de los diodos y del valor predefinido de los mecanismos de protección. Generalmente se pueden controlar unos 6 o 7 LED en serie. Como resultado de ello, con una matriz de tres canales hay 20 LED disponibles para iluminar un visualizador. Para evitar problemas de EMI – algo especialmente importante en relación con las aplicaciones de la radio del coche – existe la opción de sincronización externa.
La función integrada de detección del funcionamiento anormal del LED tiene dos canales de salida: la salida 1 para bloqueo por subtensión, el apagado térmico así como la protección frente a sobretensión y sobrecorriente, y la salida 2 que indica la detección de cables activos o LED abiertos en una o más matrices de LED. Si es necesario se puede desconectar el canal correspondiente, evitando así que se dañen otras partes del sistema.

Los controladores totalmente integrados con entrada en serie y salida en paralelo son registros de desplazamiento que se utilizan para controlar LED individuales y montados en paralelo. Con el fin de lograr un brillo consistente de los LED cercanos, cada canal se puede atenuar de forma individual y junto con el sistema al completo. La oferta de ROHM incorpora controladores con 8 y 12 canales como los modelos BD8105, BD8115 y BD8377. Tomando como base el BD8377 se ha diseñado un dispositivo que incluye función de diagnóstico para atender las necesidades del mercado europeo. Todos los controladores son ideales para visualizadores del tablero de  instrumentos, indicadores de aviso para instrumentos, especialmente mandos del panel central como los del aire acondicionado. Los CI solo necesitan unos pocos componentes externos y permiten lograr un diseño que ahorra espacio. El BD8377 y el BD8105 incorporan 12 salidas en paralelo (figura 2), mientras que el BD8115 tiene ocho canales. La corriente máxima de salida es de 50mA (CC) y conmutada de hasta  150mA para cada canal.

Los CI controladores se pueden conectar en cascada, de manera que pueden controlarse dos o más dispositivos en serie (figura 3) cuando se controlan más de ocho o 12 LED, sin incrementar el número de patillas de E/S del microprocesador. El controlador, que se suministra encapsulado en un SSOP-B20W e integra transistores, proporciona circuitos de protección estándar frente a sobrecalentamiento, sobrecorrientes y sobretensiones. Otras funciones adicionales de diagnóstico permiten la detección de LED en circuito abierto o en cortocircuito con el fin de desconectar cada canal hasta eliminar el mal funcionamiento y el canal respectivo se reactiva por medio del microcontrolador.

Las series de controladores de LED más recientes de ROHM están formadas por controladores para iluminación exterior, como luces traseras y faros delanteros cortos, así como faros para iluminación diurna. El BD8372 en un encapsulado HTSSOP28 está diseñado para el control de múltiples LED de alto brillo en los faros delanteros. El BD8372 en un encapsulado HTSOP8 está diseñado para los faros traseros. Ambos dispositivos toleran una tensión máxima de entrada de 50V para permitir su control directo mediante la batería. Incorporan los mismos circuitos de protección y funciones de diagnóstico que se han descrito antes y que son especialmente importantes para el mercado del automóvil.

El diagrama de aplicación (figura 4) ilustra el uso de MOSFET externos por parte del BD8381. La fase del transistor es accesible externamente con el fin de que los diseñadores puedan seleccionar el tipo de interruptor necesario para cada aplicación cuando exija varios niveles de brillo. Ofrece soporte tanto a LED multichip como en un solo chip. El generador de PWM integrado permitiría incluso el funcionamiento sin un microcontrolador.

La tendencia en iluminación exterior se dirige hacia un aumento de la funcionalidad integrada en el controlador de LED y múltiples canales para todo tipo de funciones: intermitentes, cortas y largas, faros de iluminación diurna (delantera) así como luces de destello, luces traseras, faros antiniebla y de freno (traseras). Con sus controladores de LED para LED blancos dirigidos a aplicaciones en el automóvil, ROHM Semiconductor ha ampliado nuevamente su catálogo de CI controladores de LED de alta integración y ofrece un conjunto formado por diferentes dispositivos para prácticamente todo tipo de iluminación basada en LED en vehículos. También se encuentra disponible el LED correspondiente de la propia ROHM.

Autor: Finn Lange, Product Manager, ROHM Semiconductor Europe).

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