温度ディレーティングを使用して自動車のLEDの平均寿命を延ばす : シンプルで費用対効果の高いソリューション

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概要

消費電力が少なく、ライフサイクルが長いため、自動車メーカーはますます多くのLEDライトニングテクノロジーを導入しています。ただし、最新の技術トレンドを困難な自動車の要件と組み合わせる場合に、LEDの平均寿命を延ばしながら、熱破壊を回避できるソリューションを設計するという需要が高まっています。本稿では、温度に応じて電流を駆動できるリニア調光を備えたシンプルで低コストのNTCベースの回路を紹介します。これは、より効果的な車載用LED照明ソリューションを実現します。

まず、車載用照明ソリューションの設計の問題と動機について簡単に説明します。次に、シミュレーション結果とともに検出回路を示します。最後に、シミュレーション結果を実際のテストで検証し、その結果については、最後のセクションで説明します。

バックグラウンド

LED照明はよりいっそうの設計上の課題を伴う技術革新です。熱破壊を回避するには、部品の熱特性を考慮してLED照明システムを設計する必要があります。これは、高い周囲温度と長い動作時間が部品の急速な劣化を引き起こす可能性がある車載用照明などのアプリケーションで特に重要です。

車載用照明技術の進化により、駆動電流が増加し、パッケージサイズをさらに小さくする必要が生じたため、熱設計の最適化がより困難になり、より必要とされるようになりました。より高い駆動電流は、最適化された放熱が不足するまで接合部温度を上昇させます。したがって、温度が高すぎる場合にLED電流を減らす方法を創出する必要があります。

ほとんどの車載用LEDドライバには、電流調光機能が含まれています。たとえば、MPSのMPQ2489は、DIMピンを使用してPWMとアナログ調光の両方を実装しています。しかし、調光制御回路は通常、複雑になる可能性のあるアナログまたはデジタル回路を介して制御されます。これは通常、最終的なアプリケーションでかなりのスペースを占有し、システム全体のコストを増加させます。本稿では、温度に応じて出力電流を線形に調光するための単純なNTCベースの回路ソリューションを紹介します。

図1は、温度が70°C未満のときにドライバの公称出力電流を安定させるように設計された回路を示しています。回路が温度しきい値を超えると、熱破壊を回避するために出力電流が温度に対して準線形な関係で減少し、LEDが最大定格温度 (約120°C) に達すると最小電流値に達します。

図1 : MPQ2489回路図

センシング回路

一例として、本稿で紹介する回路は、MPSの60V、1A、自動車グレードの降圧LEDドライバである MPQ2489-AEC1を参照しています。このドライバはPWMとアナログ調光の両方を実装していますが、このアプリケーションでは後者のみが使用されます。アナログ調光機能を使用するには、0.3V〜2.5VのDC電圧をDIMピンに印加する必要があります。この電圧は、LED電流を250mA〜1.1Aの間で線形に調整できます (図2参照)。DC電圧の範囲が0.3〜1.25Vの場合、250mA〜550mAの電流が発生します。

図2 : MPQ2489-AEC1アナログ調光曲線

温度は、電圧抵抗ディバイダに実装されているNTCサーミスタ (TDKのNTCG164BH103JTDS) を使用して検出されます。NTC抵抗が変化すると、ディバイダの出力電圧が温度に応じて変化します。これにより、DIMピンの電圧がシフトし、その結果、出力電流が変化します。

DIMピンに印加される公称電圧は、1.25Vの電圧リファレンスによって設定されます。これにより、70°Cのしきい値を下回る温度でも安定した入力電圧が保証されます。さらに、抵抗ディバイダの供給電圧は、250mWのツェナーダイオードを使用して6.2Vに固定されています。

デバイスが70°C以下である間、電圧リファレンスによって供給される1.25VはDIM入力を制限し、550mAの電流がLEDに供給されます。温度が70°Cのしきい値を超えると、抵抗ディバイダの出力は1.25Vを下回ります。次に、DIM入力は抵抗ディバイダのプロファイルに従い、温度が上昇し続けるにつれてLED駆動電流が減少します。

シミュレーションを使用して、回路の動作を推定できます。この例のシミュレーションの結果は、DIM電圧が1.25Vで温度しきい値まで安定しており、温度が120°Cに達すると0.3Vの最小出力に達するまで指数関数的に減少することを示しています (図3参照)。

図3 : シミュレーション結果

このシステムの欠点の1つは、式 (1) で計算されたスタインハート・ハートの方程式に従って、温度に応じたNTC抵抗の変化の仕方です。

$$R=R_0 \times e^{B\times({1\over T} - {1 \over T_0})}$$

スタイン・ハートの方程式は、NTCの温度と抵抗値の関係が非線形であることを示しています。したがって、抵抗ディバイダも温度と非線形の関係にあります。その結果、温度による電流の減少も非線形です。この減少は、式 (2) で推定できます。

$$V_{DIM} = V_{IN} \times {R_{NTC} \over R_2 + R_{NTC}} = ... =V_{IN} \times \frac {e^{B\times({1 \over T}- {1 \over T_0})}}}$$

それにもかかわらず、この回路は、高温でのLED駆動電流を減少させるための小さくてシンプルなソリューションを提供し、これらの部品の平均寿命を延ばします。

結果の検証

回路のパフォーマンスを試験するために、実際のユースケースをエミュレートするシステムが構築されました (図4参照)。LEDは、極間に電圧差を印加することによって加熱される3Ω抵抗の代わりに使用しました。次に、選択したNTCをサーマルペーストで抵抗器に取り付けて、抵抗器 / 温度の検出を最大限に正確にしました。最後に、設計した回路にNTCを接続しました。抵抗器の温度を変える (抵抗器に供給される電力を掃引する) ことにより、DIM電圧曲線が得られました。

図4 : 試験設定

試験は25℃〜145℃の温度幅で実施しました。図5は、期待される回路性能が達成されたことを示しています。温度が74°C (推定される70°Cのしきい値に近い) を下回っていると同時に、回路の出力電圧 (VDIM) 1.25Vで安定したままでした。この温度を超えると、電圧は145°Cで0.25Vに低下しました。

図5 : 試験結果 : 温度の関数としての調光電圧

図6は、LED温度が74°C未満の場合、得られた駆動電流が100%に設定されていることを示しています。温度がこの値を超えると、駆動電流が落ちて放熱が減少することで、温度の上昇を弱めます。この試験、および図5で実行された試験は、設計の期待される機能性を確認するものです。高温での出力電流をうまく制限することにより、回路の部品は熱による損傷から保護されます。

図6 : 試験結果 : 温度の関数としての駆動電流

まとめ

本稿では、単純なセンシング回路と、 MPSのMPQ2489-AEC1のようなほとんどのLEDドライバに存在する既存の調光機能を使用してLEDの駆動電流を制御できる回路の実装について説明しました。

このソリューションは、車載用照明システムメーカーに安定した費用対効果の高いオプションを提供します。これにより、基板スペースをほとんど占有せずに、回路内の部品の平均寿命を大幅に延ばすことができます。本稿で提案した回路は、ドライバICの信頼性と柔軟性を実証しながら、比較的簡単で安価な部品で多くの既存の照明システムに適用できます。

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