極具靈活性的帶有激光通道的汽車LED前照燈解決方案

作者/李琛琳 恩智浦半導(dǎo)體&汽車固態(tài)照明高級應(yīng)用工程師

　　引言

　　隨著全世界不斷尋求更加智能的汽車照明系統(tǒng)和節(jié)約能耗，汽車照明成為了具有創(chuàng)新和改善空間的領(lǐng)域。如今的汽車固態(tài)照明[SL1] (ASSL)系統(tǒng)帶有多種類型的負載,包括LED、OLED、激光二極管等，工程師需要尋找更靈活的平臺方案，從而在一個系統(tǒng)里高效地靈活地驅(qū)動這些負載。

　　帶有激光通道的LED前照燈就是一個典型的應(yīng)用場景。照明控制單元(LCU)共用一個升壓電路的輸出來同時驅(qū)動激光通道和日行燈(DRL)通道。這種方法并不是非常高效，它會引起激光通道額外的發(fā)熱，因為激光通道與DRL共用同一電壓，導(dǎo)致驅(qū)動激光通道的驅(qū)動電壓高于實際所需電壓。

　　本文將研究如何利用恩智浦提供的汽車固態(tài)照明驅(qū)動器IC來解決這個問題。該驅(qū)動器IC可提供兩個獨立電壓，可通過SPI接口單獨控制每個電壓。本文通過兩個應(yīng)用實例以及系統(tǒng)級別效率與激光通道效率之間的比較，很容易看出這種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)帶來的改進。

　1背景介紹

　　自幾年前推出LED和激光二極管技術(shù)以來，汽車前照燈得到了快速發(fā)展。采用激光通道的LED燈具通常具備自適應(yīng)前燈照明系統(tǒng)(AFS)功能或矩陣光束，現(xiàn)在越來越受到OEM的歡迎。這不僅僅是因為它們節(jié)能，還因為它們不會產(chǎn)生眩光，能擴大遠光燈范圍。采用激光通道的LED前照燈在歐洲地區(qū)獲得了寶馬、奧迪等主要OEM廠商以及歐司朗等LED供應(yīng)商的支持，因此發(fā)展尤為迅速。根據(jù)Driving Vision News 2014對前照燈光源市場份額趨勢的預(yù)測，自2020年開始，LED和激光前照燈所占的市場份額將快速提升，到2025年將達到大約18%。

　　圖1 前照燈市場份額

　　2照明控制單元

　　照明控制單元(LCU)是激光LED前照燈的關(guān)鍵組件，其功能包括基于激光的照明、AFS、動態(tài)調(diào)節(jié)或矩陣控制功能。典型實施方案如下面的圖2所示。

　　圖2典型的LCU實施方案

　　驅(qū)動器模塊通常包含微控制器(MCU)以及與車身控制模塊(BCM)通信的收發(fā)器。通過分析攝像頭或傳感器發(fā)出的信號感應(yīng)交通狀況,BCM發(fā)出的指令給MCU,MCU通過SPI接口控制驅(qū)動IC。功率級通常采用兩級拓撲結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)利用升壓穩(wěn)壓電路和獨立的降壓通道來驅(qū)動LED或激光二極管，以實現(xiàn)不同的照明功能。

　　3功率級設(shè)計

　　如圖2所示，這種兩級拓撲結(jié)構(gòu)使得電壓源能夠在多種條件下(例如負載突降和冷啟動事件)保持穩(wěn)定，同時仍對每一級的負載動態(tài)變化快速做出響應(yīng)。對于矩陣或全LED前照燈設(shè)計而言，這種特性至關(guān)重要。然而采用這兩級架構(gòu)設(shè)計時，如何為不同的降壓通道選擇外部組件是一個頭痛的問題。例如，驅(qū)動DRL的降壓通道的輸出電流相對較低，為0.2-1 A，但電壓卻很高：因此，MOSFET漏源電壓(VDS)和二極管反向漏電流非常重要。但是，驅(qū)動激光通道的降壓通道的輸出電流則比較高，大于1 A，VF卻比較低：因此，MOSFET漏源通態(tài)電阻(Rdson)、電感直流電阻(DCR)以及二極管正向電壓則更加重要。很顯然，單憑一個升壓電壓是很難理想的驅(qū)動所有這些通道的。對于這種解決方案，可以采用兩個獨立的升壓，甚至一個升壓電壓加一個SEPIC電壓(包含在一個控制器IC)。該優(yōu)勢來源于芯片強大的數(shù)字調(diào)節(jié)環(huán)路設(shè)計。以下顯示了兩種應(yīng)用實例，清楚地表明了系統(tǒng)效率和激光通道效率的提升。

　　*應(yīng)用實例1：讓我們來看看60 W LCU的設(shè)計示例，它采用了三組負載：54 V/540 mA DRL、16 V/0.5 A霧燈、8 V/2 A激光模塊，如圖3所示。

　　- 解決方案1：為所有三組降壓設(shè)計63V升壓。使用兩相并聯(lián)升壓壓來驅(qū)動60W可簡化MOSFET和電感器的設(shè)計過程。

　　- 解決方案2：為DRL設(shè)計一個63 Vboost1，為霧燈和激光模塊設(shè)計另外一個35 Vboost2。

　　圖3 解決方案1和解決方案2的示意圖

　　在圖3所示的解決方案中，我們使用ASL2500作為驅(qū)動控制IC。ASL2500包含兩個獨立的內(nèi)部控制環(huán)路(圖4)，分別視為虛擬相位邏輯1和虛擬相位邏輯2。可利用SPI對不同的相位分配寄存器進行編程，以將兩個物理驅(qū)動級連接到內(nèi)部虛擬相位中，而不需要使用額外組件來確定如何分配。升壓電路的輸出可并聯(lián)驅(qū)動同一個輸出電壓，或者驅(qū)動兩個獨立的輸出電壓。

　　表1 應(yīng)用實例1的測試結(jié)果

　　從表1顯示的評估結(jié)果中，我們可以看出，相比解決方案1，解決方案2的系統(tǒng)效率提升了3%：相當(dāng)于在60 W LCU設(shè)計中節(jié)省了1.8 W的發(fā)熱。考慮到LCU的小巧尺寸，這對于簡化散熱設(shè)計意義重大。

　　圖4 ASL2500控制邏輯

　　*應(yīng)用實例2：此示例采用了60 W LCU的設(shè)計，它包含三組負載：52 V/320 mA DRL、15 V/0.55 mA霧燈、8 V/3 A激光模塊，如圖4所示。

　　- 解決方案3：為DRL 52V/320mA和霧燈15V/0.55mA設(shè)計63 V升壓，為激光模塊8V/3A設(shè)計9.5V SEPIC

　　- 解決方案1：為三組降壓設(shè)計63V升壓。使用兩相并聯(lián)升壓來驅(qū)動60W可簡化MOSFET和電感器的設(shè)計過程。

　　如果激光通道輸出電流為3A，或者是更高的6A，那么解決方案3將是一個不錯的選擇。ASL2500寄存器擁有豐富的環(huán)路補償參數(shù)(Kp、Ki)選擇，其頻率由SPI設(shè)置，范圍為125K-700KHz。這表示也可將其配置為SEPIC轉(zhuǎn)換器，以在某些典型的負載條件下使用。在本示例中，SEPIC轉(zhuǎn)換器很適合驅(qū)動激光二極管，因為電池電壓即可以高于也可以低于其輸出電壓。由于SEPIC輸出電壓僅比激光二級管(8 V)高出幾伏，而在升壓拓撲結(jié)構(gòu)中，典型的輸出電壓要高于電池的最高電壓，比如升壓輸出35 V，如圖5。所以在效率方面，這個特性可以優(yōu)化降壓通道的占空比，使降壓續(xù)流二極管的功耗達到最低。Buck 3的效率非常接近于同步整流降壓(使用低側(cè)MOSFET替代續(xù)流二極管的拓撲結(jié)構(gòu))的效率。因為Buck3的運行占空比較高，且續(xù)流二極管(D1)大部分時間都被關(guān)閉。

　　*例如：采用解決方案1時，在63 V降壓電壓、3 A電流下，如果驅(qū)動2個LED，則二極管的占空比為88% 。

　　3 A * 0.7 V * 0.88 = 1.89 W

　　采用解決方案3時，如果降壓為9.5 V，則二極管的占空比為19%。

　　3 A * 0.7 V * 0.19 = 0.4 W

　　圖5 解決方案3的示意圖

　　在圖5中，如果SEPIC是第一級，就能夠使用具有較低柵極電荷和“導(dǎo)通”電阻的40 V甚至30 V MOFSET。使用30 V肖特基勢壘整流器，VF和反向泄漏電流都會低于其60 V或100 V的型號。對于降壓電感器，交流和直流損耗也會減少。此外，buck 3的成本和尺寸會最大程度地縮減。

　　圖6 buck3的典型示意圖

　　如果我們更加仔細地研究buck 3，就能發(fā)現(xiàn)在元器件選擇上的不同。圖6顯示的是buck 3的典型示意圖，下方表2則總結(jié)了外圍元件的變化，特別是在SEPIC作為第一級時，Rdson、柵極電荷、VF、反向泄漏電流、DCR和交流損耗都會減少。下方表3顯示了60 V輸入電壓與9.5 V輸入電壓下，單獨測buck 3得到的效率的提升。表4中的結(jié)果是在第一級驅(qū)動和所有降壓級驅(qū)動都運行時測得的。

　　表2 buck 3的元件變化

　　表3 buck3的效率提升

　　典型的單個升壓電壓并不是最好的選擇。從整個系統(tǒng)的角度來看，采用解決方案3提高的效率為1.65%。

　　表4 應(yīng)用實例2的系統(tǒng)測試結(jié)果

　　4 總結(jié)

　　本文探討了汽車前照燈正在逐步發(fā)展為帶有激光功能或矩陣光束的LED燈。發(fā)生這種轉(zhuǎn)變有三重原因：節(jié)能、無眩光、擴大照明范圍。恩智浦汽車照明驅(qū)動IC基于對LCU設(shè)計和IC設(shè)計知識的深厚了解，以及汽車A-BCD混合信號HV工藝，旨在提供靈活平臺化的LED汽車照明解決方案。