Cet article décrit les différentes options offertes aux concepteurs pour l'intégration d'une solution de pilotage de LED. ROHM a élargi sa gamme de circuits intégrés de pilotage de LED hautement intégrés afin de proposer diverses options de conception avec des sorties commutées intégrées ou externes, une commande parallèle/série et de nombreuses fonctions de protection et de détection de défauts dans des boîtiers compacts à montage en surface.Les applications des LED dans les automobiles comprennent l'éclairage intérieur (tel que l'éclairage du plafond, du tableau de bord et de l'espace pour les jambes), les voyants et témoins lumineux, le rétroéclairage des systèmes d'infodivertissement, ainsi que les fonctions extérieures (signalisation) telles que les feux arrière, les clignotants, les feux de freinage (y compris les feux de freinage centraux supérieurs), les feux de stationnement, les feux de position latéraux, les feux de brouillard et les feux de jour.
Plus récemment, certains constructeurs automobiles ont intégré des phares à LED haute luminosité à leurs modèles de série. Dans certains cas, la capacité d'un contrôleur de LED permet d'utiliser les mêmes LED pour plusieurs applications. Les principaux fabricants de phares automobiles ont fourni des prototypes équipés de LED haute luminosité, et la quasi-totalité des constructeurs ont également présenté des prototypes de véhicules intégrant ce type d'éclairage ; on prévoit que certains véhicules de série seront équipés de phares à LED dès 2012. À mesure que les LED gagnent en efficacité et que leur coût diminue (le flux lumineux des dispositifs LED encapsulés double environ tous les 18 mois), les véhicules utiliseront un nombre croissant de LED et de contrôleurs de LED. Grâce à la faible consommation d'énergie des LED par rapport à l'éclairage conventionnel, une réduction estimée à 0,2 litre de carburant aux 100 km et à environ 4 grammes d'émissions de CO₂ par km représente un avantage indéniable du remplacement des ampoules à incandescence par des LED, ne serait-ce que pour les feux de jour. Dans les véhicules électriques et hybrides, une réduction de 85 % de la consommation d'énergie grâce à l'utilisation de LED à la place des ampoules à incandescence se traduit par une autonomie accrue. De ce fait, plusieurs arguments plaident en faveur de l'intégration des LED dans les applications automobiles. Un facteur clé réside dans la gestion de l'énergie assurée par les circuits intégrés de commande.
Exigences relatives aux drivers LED :
Les LED nécessitent un courant constant pour produire un éclairage uniforme. Il s’agit donc de l’exigence principale pour le fonctionnement d’un driver LED. La précision de la source de courant est un critère déterminant pour l’utilisateur. Les fluctuations de courant dues aux variations de la tension d’alimentation du véhicule doivent être évitées. Les régulateurs linéaires offrent une commande simple et ne nécessitent pas de filtres anti-parasites électromagnétiques (EMI). Cependant, leur dissipation de puissance peut être excessive dans les applications haute puissance. Les convertisseurs DC/DC abaisseurs sont souvent utilisés comme solution de repli. Lorsque le driver gère plusieurs LED en série, un convertisseur élévateur est employé. Dans certains cas, une topologie abaisseur-élévateur permet de répondre à diverses exigences d’application, notamment la capacité à gérer une tension d’alimentation variable.
Les drivers LED peuvent être conçus pour offrir une commande combinant le pilotage en série et en parallèle. Ces dispositifs offrent aux concepteurs de circuits la flexibilité nécessaire pour piloter des LED dans différentes applications avec un seul driver, évitant ainsi l'utilisation de plusieurs composants qui complexifient le développement et les tests d'homologation. La variation d'intensité lumineuse est une exigence courante pour l'éclairage intérieur. Cependant, les applications d'éclairage extérieur nécessitent de fournir différents niveaux de luminosité avec une même LED. Par exemple, les feux stop/arrière, les feux de croisement/de jour et les phares (feux de route/de croisement) sont considérés comme des points lumineux à double niveau. Dans certains cas, la conception de l'éclairage permet de couvrir ces deux situations avec une seule LED grâce à un driver LED adapté. Pour les environnements automobiles exigeants, divers circuits de protection sont nécessaires afin de prévenir les défaillances des composants en cas de dysfonctionnement.
Considérations de conception pour le secteur automobile :
contrairement aux autres segments de marché, les applications automobiles ont des exigences plus élevées que celles reflétées dans les normes industrielles et les spécifications d’achat, notamment en ce qui concerne les plages de température et d’humidité, la plage de tension d’alimentation, la capacité à résister aux produits chimiques agressifs, aux interférences électromagnétiques et à la compatibilité électromagnétique (CEM), ainsi que les exigences de fiabilité définies par les tests d’homologation.
La plage de tension des applications automobiles dépasse la plage de fonctionnement normale de 9 à 16 V (14 V nominalement) pour la charge d'une batterie de 12,6 V à température ambiante. Elle englobe des conditions de fonctionnement extrêmes telles que la charge inversée de la batterie (-12 V), le démarrage d'urgence par connexion à une autre batterie de tension double (+24 V) et des défauts comme la décharge soudaine qui se produit lors de la déconnexion de la batterie de l'alternateur, ainsi que d'autres transitoires de tension. Une décharge soudaine et incontrôlée peut durer plusieurs centaines de millisecondes et dépasser facilement 80 V. Cependant, de nombreux constructeurs ont désormais centralisé les circuits de protection contre les surtensions et exigent donc que ces composants résistent aux transitoires jusqu'à environ 40 à 60 V. Outre ces exigences de haute tension, les conditions de démarrage peuvent entraîner des baisses de tension, ce qui nécessite la mise en place de contre-mesures pour faire face aux conditions difficiles.
La haute fiabilité des applications automobiles est attestée par la nécessité de circuits de protection contre les surtensions, les sous-tensions, l'inversion de polarité, les surintensités, les courts-circuits et les surchauffes dans de nombreux circuits intégrés. La durée de vie opérationnelle du composant doit également être vérifiée par une série de tests approfondis. Le constructeur automobile peut viser une garantie de 10 ans ou 150 000 km.
Sorties LED discrètes ou intégrées :
selon la consommation des LED, il peut être judicieux d’utiliser des drivers LED avec transistors intégrés ou externes. L’intégration de MOSFET dans le circuit intégré du driver LED présente toutefois des avantages et des inconvénients. Les commutateurs LED intégrés réduisent le nombre de composants, ce qui permet un gain de place sur la carte et simplifie la nomenclature. De plus, ils assurent une parfaite coordination entre le transistor et le driver. Si la puissance augmente, par exemple pour la gestion de LED haute luminosité ou de matrices de LED, il est préférable d’opter pour une solution externe, car elle facilite la dissipation thermique.
Les drivers LED ROHM se répartissent en trois grandes catégories :
a) Contrôleurs monocanal et multicanaux pour le rétroéclairage.
b) Contrôleurs pour interrupteurs et LED individuelles en parallèle.
c) Contrôleurs complexes pour l'éclairage extérieur.
Le rétroéclairage est particulièrement important pour les écrans (de moyenne et grande taille) des systèmes de radionavigation et des panneaux d'information centraux. ROHM propose des drivers LED à un, deux, trois ou quatre canaux pour répondre aux différents besoins et tailles d'écran. Une topologie de type élévateur/abaisseur de tension permet d'ajuster la luminosité et la lisibilité de l'écran en fonction de la luminosité ambiante et de la source d'éclairage, de la pleine lumière du soleil à l'obscurité totale. Le driver BD81A33 à trois canaux ne nécessite que quelques composants externes et est proposé en boîtier SSOP28 haute température (voir figure 1).
La fréquence de commutation des drivers pour les LED de rétroéclairage peut atteindre 2,2 MHz afin de réduire la taille des composants externes (par exemple, l'inductance) et d'éliminer les interférences électromagnétiques (EMI) dans la bande AM. La tension d'alimentation est de 4,5 V jusqu'à environ 2,2 MHz. Une tension de sortie de 40 V et un courant maximal de 120 à 400 mA par canal (selon le driver) sont utilisés. Le nombre maximal de LED en série dans chaque matrice dépend de la polarisation directe des diodes et de la valeur prédéfinie des mécanismes de protection. Généralement, six ou sept LED peuvent être contrôlées en série. Ainsi, avec une matrice à trois canaux, 20 LED sont disponibles pour l'éclairage d'un écran. Afin d'éviter les interférences électromagnétiques (IEM), particulièrement importantes pour les autoradios, une synchronisation externe est disponible.
La fonction intégrée de détection de dysfonctionnement des LED possède deux canaux de sortie : la sortie 1 assure la protection contre les sous-tensions, la coupure thermique et les surtensions et surintensités ; la sortie 2 indique la détection de conducteurs sous tension ou de LED défectueuses dans une ou plusieurs matrices. Si nécessaire, le canal correspondant peut être déconnecté afin d'éviter d'endommager d'autres composants du système.
Les contrôleurs entièrement intégrés, dotés d'entrées série et de sorties parallèles, sont des registres à décalage utilisés pour piloter des LED individuelles montées en parallèle. Afin d'obtenir une luminosité homogène pour les LED voisines, chaque canal peut être gradué individuellement ou simultanément avec l'ensemble du système. ROHM propose des contrôleurs à 8 et 12 canaux, tels que les BD8105, BD8115 et BD8377. À partir du BD8377, un dispositif avec diagnostic intégré a été conçu pour répondre aux besoins du marché européen. Tous ces contrôleurs sont parfaitement adaptés aux affichages de tableaux de bord, aux témoins d'avertissement et, plus particulièrement, aux commandes de la console centrale, comme celles de la climatisation. Les circuits intégrés ne nécessitent que quelques composants externes, ce qui permet une conception compacte. Les BD8377 et BD8105 disposent de 12 sorties parallèles (Figure 2), tandis que le BD8115 possède huit canaux. Le courant de sortie maximal est de 50 mA (CC) et peut être commuté jusqu'à 150 mA par canal.
Les circuits intégrés de commande peuvent être mis en cascade, permettant ainsi de contrôler deux dispositifs ou plus en série (Figure 3) pour la gestion de plus de huit ou douze LED, sans augmenter le nombre de broches d'E/S du microprocesseur. Le circuit de commande, fourni en boîtier SSOP B20W et intégrant des transistors, offre une protection standard contre la surchauffe, la surintensité et la surtension. Des fonctions de diagnostic supplémentaires permettent de détecter les LED en circuit ouvert ou en court-circuit, et de déconnecter le canal correspondant jusqu'à résolution du problème. Le microcontrôleur réactive ensuite le canal concerné.
La nouvelle gamme de drivers LED de ROHM comprend des drivers pour l'éclairage extérieur, notamment les feux arrière, les feux de croisement et les feux de jour. Le BD8372 en boîtier HTSSOP28 est conçu pour piloter plusieurs LED haute luminosité dans les phares. Le BD8372 en boîtier HTSOP8 est quant à lui destiné aux feux arrière. Ces deux composants supportent une tension d'entrée maximale de 50 V, permettant ainsi une alimentation directe par batterie. Ils intègrent les mêmes circuits de protection et fonctions de diagnostic que ceux décrits précédemment, particulièrement importants pour le marché automobile.
Le schéma d'application (figure 4) illustre l'utilisation de MOSFET externes par le BD8381. L'étage de commutation est accessible de l'extérieur, permettant ainsi aux concepteurs de sélectionner le type de commutateur adapté à chaque application nécessitant plusieurs niveaux de luminosité. Il prend en charge les LED multipuces et monopuces. Le générateur PWM intégré permet même un fonctionnement sans microcontrôleur.
L'éclairage extérieur s'oriente vers une fonctionnalité accrue, intégrée aux drivers LED et offrant de multiples canaux pour toutes les fonctions : clignotants, feux de croisement et de route, feux de jour (avant), feux clignotants, feux arrière, feux de brouillard et feux stop (arrière). Avec ses drivers LED pour LED blanches destinés aux applications automobiles, ROHM Semiconductor a enrichi son offre de circuits intégrés de drivers LED hautement intégrés, proposant une gamme de dispositifs pour quasiment tous les types d'éclairage automobile à LED. Les LED ROHM sont également disponibles.
Auteur : Finn Lange, chef de produit chez ROHM Semiconductor Europe.
