提高电动自行车后尾灯组合的长期可靠性
时间：2023-05-09
作者：Allegro MicroSystems应用工程师Ranjit Farakate，Shashank Wekhande
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在两轮电动自行车后尾组合灯（RCL）应用中，LED会以不同的亮度工作。一般来说，全亮度用于制动，低亮度则用于正常运行尾灯。手柄制动器和脚制动器处传统采用的机械开关容易磨损，会导致LED故障，出现LED照明的错误，甚至完全故障。与机械开关相比，非接触式开关解决方案可以提高可靠性。
典型的两轮车RCL一般包括LED阵列、手柄制动位置传感器、尾灯开关和LED驱动器。汽车RCL应用需要有两个制动系统，因此这些系统也必须支持制动踏板。如果尾灯开关和手柄制动输入以及制动踏板输入包含在设计中，可作为外部输入信号连接到LED驱动器。当使用手柄制动器或制动踏板时，LED必须立即做出即时响应，将两个或三个串联的红色LED切换为多个LED串并联的更大阵列，并从低电流切换为高电流。这些系统通常需要8～18V的工作电源电压，需要满足ISO 7637的瞬态规范要求，并具有反向电池保护。制动模式下的操作电流通常为150～300mA，尾灯模式下大约为制动模式的25%～50%。维持较长的LED寿命需要准确控制这些电流转换。除了满足这些要求外，如果要想设计满足消费者信心要求，必须能够应对多种应用挑战，包括抗御水和碎屑灯污染物的能力。考虑到所有这些问题，找到一个简单的解决方案本身通常也是另一个重大挑战。
水、碎屑和其它腐蚀物
虽然LED非常可靠，但由于水和碎屑等影响而导致的LED尾灯故障比比皆是。用于固定外壳和保护内部系统的密封件会随着时间推移而磨损，在密封件失效后，水和碎屑等污染物可能会侵入并腐蚀系统部件，从而导致LED变暗或烧坏，或者即便在车辆关闭时仍保持亮起。刹车灯开关损坏也可能导致尾灯在车辆关闭后仍保持通电。后尾制动灯在关闭时仍然亮起的原因通常是由于制动踏板总成中的部件腐蚀或碎屑，因而能够承受可能侵入系统碎屑和湿气的解决方案可提供更高的可靠性。
电气转换和设计影响
在机械开关中，雨水泄漏会导致LED中出现很小的泄漏电流，这可能会导致肉眼可见的光照，会带来一定安全风险。非接触式开关解决方案能够完全消除这个问题。
最大限度地延长后尾灯运营寿命需要卓越的电流管理，其中LED的驱动电流不应超过额定要求，超过LED的指定电流虽可以产生更亮的光，但会降低产品寿命。专用LED驱动器可以严格调节电流，简化设计，节省开发时间，减小测试或运行过程中的故障风险，并降低成本、尺寸和重量。
为了防止腐蚀和碎屑引起的故障，相对容易发生故障的机械开关LED，霍尔效应开关能够为高功率和低功率RCL应用提供一种静音、非接触升级解决方案。霍尔效应开关一般包括有霍尔元件，用于检测磁场存在与否。通过平行于IC放置的磁体（对于大多数RCL应用来说是低成本铁氧体），产生垂直于IC的磁场，可以确定移动轴的位置。
低功耗RCL应用
Allegro MicroSystems开发了一种独特的解决方案APS13568，将LED驱动器和霍尔效应开关集成在一个芯片中。APS13568专为低功耗RCL应用而设计，只需最少的外部组件，可以在RCL应用中提供高可靠性和易设计性。图1所示为一个典型的RCL应用，其中使用APS13568 LED驱动器和带制动踏板的霍尔开关组件（集成有A1126 或APS11700霍尔效应开关用于手柄制动组件）。图1还显示了采用APS13568的RCL应用PCB布局，以及APS13568在室温下以140mA运行三个红色LED的表面温度情况。
图1：使用APS13568的典型RCL应用运行情况，包括典型的PCB布局和热性能。
.在上述所示应用中，APS13568被放置在连接到制动踏板的磁体下方，磁体位置由内部全向（omnipolar）霍尔开关感测。全向操作可以检测N极或S极方向的磁场。这简化了磁体在生产过程中的放置。手柄制动器和后尾灯开关输入作为外部输入信号连接。电池输入连接到VBAT，手柄制动信号连接到BRAKE ，后尾灯输入连接到TAIL，所有LED跨越LA和Ground进行连接。
当有后尾灯或制动器输入施加时，LED电流会根据图2左侧所示的运行逻辑在低和高之间切换。如果垂直于霍尔传感器的磁场超过工作点阈值BOP，输出切换为低。当磁场降低到释放点BRP以下时，设备输出切换到高电平，如图2右侧所示。
制动踏板的磁体选择取决于APS13568的BOP电平和气隙要求。对于这种应用，建议使用27.5 mm×18 mm×6 mm尺寸的铁氧体磁体。本例中使用的磁铁如图2右下角插图所示，APS13568传感器在27.3毫米处开启（BOP=40G），在34毫米处关闭（BRP=25G），如图2右下角的磁通量密度图所示。
图2：APS13568真值表（左）、后尾灯和制动模式电流波形（右上角）以及铁氧体磁体（右下角）和所用铁氧体磁体的磁通密度与距离关系图。
通过使用集成在IC封装内的霍尔效应开关，可以大大降低密封件磨损时可能引入的湿气或碎屑风险，从而提高可靠性。
对于更高功率RCL应用，Allegro A6261 和 A6263 LED驱动器与霍尔效应开关一起使用，以实现高性能的非接触解决方案。采用A6261 LED阵列驱动器的典型两轮车大功率RCL如图3所示，通过R2和R3电阻器，使用IREF引脚可设置LED电流。Allegro A1125非接触式霍尔效应开关用于制动信号。
在运行过程中，LED电流会随着结温的升高而下降。对于A6261和A6263器件而言，可编程温度监测器可确保电流大小和电气转换的正确时序。THTH引脚设置热降额阈值TJM。如图3中A6261所示，其中包含的温度监测功能随着硅结温度升高而会使LED电流降低，从而确保了应用的最佳电流传输。
图3：采用A6261的典型RCL应用，包括操作说明和热降额。
市场上有一些LED驱动器能够满足低功率或高功率电动自行车RCL应用的需求。Allegro APS13568提供了一种独特设计的解决方案，能够在单个封装中检测踏板行程和驾驶照明。对于低功率RCL应用，这种独立的解决方案最大限度地减少了水和碎屑腐蚀的机会。单一IC设计也使APS13568成为希望节省设计时间、板空间和成本的设计师的理想选择。对于大功率RCL应用或更大的LED阵列，Allegro A6261和A6263 LED驱动器具有独立的霍尔开关组件，可提供非接触式解决方案。
在RCL应用中，使用这些带有集成非接触霍尔效应开关的LED驱动器代替机械开关可以防止腐蚀并提高LED系统的可靠性。
