汽車內(nèi)外部照明LED驅(qū)動(dòng)器的解決方案
led(Light Emitting Diode),發(fā)光二極管,是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件,它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。近年來,其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬,從傳統(tǒng)的便攜設(shè)備背光向中大尺寸LCD顯示器/液晶電視背光、汽車及通用照明等領(lǐng)域不斷邁進(jìn)。本文將專門介紹適合于汽車照明應(yīng)用的各種LED驅(qū)動(dòng)器方案,并探討一些典型應(yīng)用。
1 LED為汽車照明應(yīng)用提供眾多優(yōu)勢(shì)
LED在汽車中的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,但可以簡(jiǎn)單歸納為內(nèi)部照明及外部照明(參見圖1)。外部照明有如前照燈、尾部照明等,內(nèi)部照明包括內(nèi)部便利及舒適照明和儀表盤背光等。
圖1:多種多樣的汽車LED照明應(yīng)用
推動(dòng)汽車LED照明應(yīng)用的因素很多。以前照燈為例,采用LED作為光源擁有眾多優(yōu)勢(shì):
1.1 利于靈活或新穎的造型設(shè)計(jì)
LED物理尺寸很小,能用于開發(fā)極緊湊、極薄的模塊。與鹵素?zé)艉碗瘹鉄粝啾龋啻甃ED模塊需要更小、更簡(jiǎn)單的透鏡和光擴(kuò)散片硬件。且多個(gè)LED光源的光更易于導(dǎo)向,大大減輕工程設(shè)計(jì)對(duì)造型的影響。
1.2 光強(qiáng)度及能效不斷提升
LED光強(qiáng)度處于極快的提升曲線上,呈現(xiàn)出每18至24個(gè)月光通量將會(huì)翻一番的趨勢(shì)。LED光輸出已經(jīng)超過鹵素?zé)?,未來LED實(shí)際光效性能還將能氙氣燈相匹敵。
1.3 高可靠性及長(zhǎng)壽命
只要為L(zhǎng)ED前照燈模塊進(jìn)行有效的熱管理以保持較低的結(jié)溫,并保護(hù)其免受開關(guān)導(dǎo)通/關(guān)閉、調(diào)光期間可能出現(xiàn)的電流尖峰和電池脈沖的影響,期望它們?cè)谄囌麄€(gè)壽命周期內(nèi)持續(xù)使用就并非不切實(shí)際。
1.4 顯著節(jié)能
與其它方案相比,LED前照燈使用的燃料/能源要少得多。使用高能效智能電源技術(shù)/芯片,而非需多個(gè)外部元件的一般IC,可以更節(jié)能。
因此,LED在汽車照明中的應(yīng)用日漸增多,且被眾多汽車制造商當(dāng)作設(shè)計(jì)賣點(diǎn)。
2 應(yīng)用于汽車照明的LED驅(qū)動(dòng)器方案比較
LED在汽車照明中的應(yīng)用多種多樣,不同應(yīng)用對(duì)LED電流的要求又各不相同,故需要結(jié)合具體應(yīng)用要求,選擇適合的LED驅(qū)動(dòng)器方案。
LED驅(qū)動(dòng)方案的一項(xiàng)主要功能是在多種工作條件下穩(wěn)流,而不論輸入條件如何及正向電壓如何變化。驅(qū)動(dòng)方案必須符合能效、外形因數(shù)、成本及安全性方面的應(yīng)用要求。同時(shí),所選方案必須易用及足夠強(qiáng)固,從而適應(yīng)特定應(yīng)用的嚴(yán)格環(huán)境。
汽車應(yīng)用中的典型LED驅(qū)動(dòng)器方案包括電阻、線性LED驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)LED驅(qū)動(dòng)器及創(chuàng)新的照明管理LED驅(qū)動(dòng)器等。一般而言,根據(jù)應(yīng)用中LED電流大小的不同,在20到200 mA的低電流應(yīng)用中,可以選用分立元件(即電阻)或線性驅(qū)動(dòng)方案;在200至500 mA的中等電流應(yīng)用中,可以選用線性或開關(guān)驅(qū)動(dòng)器方案;而在大于500 mA的大電流應(yīng)用中,一般選擇開關(guān)驅(qū)動(dòng)器方案。
實(shí)際上,電阻是最簡(jiǎn)單、最低成本的LED限流方案,但是它們并不“穩(wěn)流”,只是在LED正向電壓變化及輸入電源電壓變化并導(dǎo)致電流變化從而引起LED亮度變異時(shí),簡(jiǎn)單地限制LED最大電流。雖然這種方案的成本低,但能效也最低,且存在著LED篩選成本及熱失控等問題。
CCR是一種比電阻方案性能更高但成本又低于線性驅(qū)動(dòng)器或開關(guān)驅(qū)動(dòng)器的方案,適合于電流小于200 mA的低電流LED照明應(yīng)用。CCR廉價(jià)并強(qiáng)固,在寬電壓范圍下提供恒定亮度,在輸入電壓較高時(shí)保護(hù)LED免受過驅(qū)動(dòng),且在低電池電壓條件下仍提供較高亮度。這種方案能夠減少或消除LED篩選產(chǎn)生的庫存,使方案總成本更低。CCR最大工作電壓達(dá)50 V,能夠承受電池負(fù)載突降。CCR提供SOD123、SOT123及DPAK等不同封裝,能在嚴(yán)格熱環(huán)境下工作(125℃),負(fù)溫度系數(shù)特性在高環(huán)境溫度條件下保護(hù)器件本身及LED。此外,CCR不產(chǎn)生電磁干擾,易于設(shè)計(jì)。
圖2:雙端及三端CCR電路圖
線性穩(wěn)壓器支持多條線路并行配置以擴(kuò)散熱耗散,提供達(dá)±2%的穩(wěn)流精度,無電磁干擾(EMI)問題,成本中等,但能效也較低。而憑借高能效及靈活等優(yōu)勢(shì),開關(guān)穩(wěn)壓器廣泛使用。這種方案成本更高,技術(shù)更復(fù)雜,但也提供顯著優(yōu)勢(shì),如支持任何類型的輸入電壓與輸出電壓關(guān)系,且根據(jù)輸入/輸出條件,能效能夠高于90%。與線性驅(qū)動(dòng)器不同,它們對(duì)EMI很敏感,給設(shè)計(jì)人員帶來需要注意的設(shè)計(jì)約束。
值得一提的是,除了這些常見的LED驅(qū)動(dòng)器方案,安森美半導(dǎo)體推出了高集成LED照明管理集成電路(IC)。這些照明管理集成了多種LED驅(qū)動(dòng)及控制功能,相當(dāng)于一個(gè)完整子系統(tǒng),能夠承受高達(dá)125℃的環(huán)境溫度,用于汽車前照燈、組合尾燈及最新的高級(jí)前照燈系統(tǒng)(AFS)等應(yīng)用,后文將會(huì)詳細(xì)論及。
3 典型汽車應(yīng)用LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品及其應(yīng)用
3.1 適合低電流LED應(yīng)用的CCR
安森美半導(dǎo)體運(yùn)用專利自偏置晶體管(SBT)技術(shù)開發(fā)出了NSI45系列CCR(參見圖2)。這系列CCR包含雙端固定輸出和三端可調(diào)節(jié)輸出兩種類型,電流等級(jí)涵蓋10至180 mA。其中三端可調(diào)節(jié)輸出CCR包括電流30至80 mA(SOT-223)及60至150 mA(DPAK)等不同選擇,能夠用于滿足特定電流設(shè)置要求。
CCR易于設(shè)計(jì),適合高邊(High-side)及低邊(Low-side)應(yīng)用;既能用單個(gè)CCR驅(qū)動(dòng)1串或多串LED,也能并聯(lián)多個(gè)CCR驅(qū)動(dòng)一串或多串LED(詳見參考資料1)。
圖3:CCR汽車中央高位停車燈(CHMSL)應(yīng)用電路圖
3.2 針對(duì)背光、內(nèi)部照明控制及尾燈等應(yīng)用的線性LED驅(qū)動(dòng)器
在線性驅(qū)動(dòng)器方案,典型產(chǎn)品包括安森美半導(dǎo)體的NUD4001及NUD4011線性LED驅(qū)動(dòng)器,兩款器件的額定輸入電壓范圍分別為6至30 V和48至200 V,額定輸出電流分別為高達(dá)500 mA和高達(dá)70 mA,在汽車中的應(yīng)用領(lǐng)域包括尾燈、方向燈、剎車燈及車頂燈等。這兩款器件的設(shè)計(jì)均用于在交流-直流應(yīng)用中替代分立方案,設(shè)計(jì)人員能夠利用外部電阻針對(duì)不同LED陣列設(shè)置驅(qū)動(dòng)電流。不同的是,NUD4001適合于5 V、12 V或24 V的低壓應(yīng)用,而NUD4011則最高支持200 V電壓。圖4顯示的是NUD4001在汽車停車燈中的應(yīng)用。
圖4:NUD4001在汽車停車燈中的應(yīng)用示例
而在要求驅(qū)動(dòng)大電流的高亮度LED汽車照明應(yīng)用中,可以采用安森美半導(dǎo)體的CAT4101高亮度線性LED驅(qū)動(dòng)器。CAT4101能驅(qū)動(dòng)一串電流高達(dá)1 A的高亮度LED,且滿載時(shí)的壓降僅為極低的0.5 V。這種簡(jiǎn)單方案不要求電感,消除開關(guān)噪聲,將元件數(shù)量減至最少,并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。
3.3 涵蓋降壓、升壓及降壓-升壓等不同配置的LED開關(guān)驅(qū)動(dòng)器
驅(qū)動(dòng)LED的開關(guān)穩(wěn)壓器的能效一般介于50%至90%之間,涉及降壓、升壓及降壓-升壓等不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),講究EMI控制方法,主要用于汽車內(nèi)部照明、停車燈、霧燈、日間行車燈及側(cè)面標(biāo)志燈等應(yīng)用。安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于汽車LED照明的開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)品如表1所示。
其中,典型升壓控制器有如NCV8871。這是是一款帶多功能啟用(Enable)/同步(SYNC)引腳、能以外部時(shí)鐘同步的升壓控制器,用于驅(qū)動(dòng)外部N溝道MOSFET。這器件可在3.5 V至 40 V的寬電池電壓范圍條件下工作,專門用于-40℃至150℃結(jié)溫,在工作溫度條件下提供±2.0%的輸出電壓精度,并提供低關(guān)閉電流(典型值小于10 μA),幫助降低電能消耗。
在降壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)器方面,包括NCV8842、NCV8843及NCV51411等產(chǎn)品,適合于車身/遠(yuǎn)程信息系統(tǒng)等應(yīng)用。NCV8842/3是帶同步功能的1.5 A、170/340 kHz降壓驅(qū)動(dòng)器,支持4.5 V至40 V輸入電壓,而輸出電壓可從1.27 V開始編程設(shè)定。同步引腳功能用于改善EMI性能。NCV5141x(如NCV51411及NCV51413)是CS5141x針對(duì)汽車應(yīng)用的版本,提供高能效,在9到15 V輸入電壓條件下,以700 mA電流驅(qū)動(dòng)2顆正向壓降為3.5 V LED的能效基本高于85%。另一款支持4.5至45 V輸入電壓的汽車級(jí)同步降壓控制器甚至在寬負(fù)載電流條件下提供高于93%的能效,且在休眠模式下的最大靜態(tài)電流僅為1 μA。
表1:安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于汽車LED照明的開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)品
此外,安森美半導(dǎo)體還提供多款能用于汽車LED照明的多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)驅(qū)動(dòng)器,包括NCV33063AV、NCV3065及NCV3163等。其中,NCV33063AV和NCV3065均支持最大1.5 A電流,能夠配置為降壓、升壓、SEPIC或降壓-升壓等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),適合汽車內(nèi)部照明應(yīng)用。NCV3065亦可用于內(nèi)部照明,針對(duì)的是對(duì)成本非常敏感的應(yīng)用,如果要求更高電流,還能配置為控制器。NCV3163則是一款最大電流3.4 A的單片開關(guān)穩(wěn)壓器,使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠以最小數(shù)量的外部元件應(yīng)用降壓、升壓或降壓-升壓(電壓反轉(zhuǎn))拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
3.4 針對(duì)前照燈及組合尾燈等應(yīng)用的高集成度照明管理IC
汽車的前照燈包括不同細(xì)分領(lǐng)域,如日間行車燈(DRL)、近光及遠(yuǎn)光燈、信號(hào)燈和霧燈等。前照燈中最早應(yīng)用LED的是日前行車燈。而隨著高亮度LED的成本持續(xù)降低及性能持續(xù)提升,越來越多的新車設(shè)計(jì)正更廣泛地將LED用于其它前照燈領(lǐng)域,如近光及遠(yuǎn)光燈、信號(hào)燈及霧燈等,甚至利用LED提供光束整形、路面聚光(motorway spot)等新興功能。
一般而言,汽車前照燈要求支持從單個(gè)LED到多串LED,電壓可高達(dá)60 V;此外,還要求支持脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光(如用于示廓燈)、高集成度、高能效、LED串低電磁輻射、集成診斷及通信接口等。安森美半導(dǎo)體針對(duì)LED汽車前照燈系統(tǒng)開發(fā)了NCV78663電源鎮(zhèn)流器及雙LED驅(qū)動(dòng)器。NCV78663是先進(jìn)的高可靠性、高能效的系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC) LED驅(qū)動(dòng)器,支持達(dá)2 A電流,提供高于90%的總能效,驅(qū)動(dòng)高達(dá)60 V電壓的多串LED,能以PWM調(diào)光維持色溫及控制平均電流,使設(shè)計(jì)人員能夠以一顆高集成度的SoC控制遠(yuǎn)光燈及近光燈、日間行車燈、轉(zhuǎn)向指示燈及霧燈,所需外部元件極少。這器件通過SPI接口與外部微控制器通信,在上電后動(dòng)態(tài)地控制系統(tǒng)參數(shù)、檢測(cè)LED工作狀態(tài)并反饋診斷信息。圖5顯示的是NCV78663在先進(jìn)的汽車前照燈應(yīng)用中的電路圖。
圖5:a) 汽車LED前照燈應(yīng)用圖例;b)基于NCV78663的汽車LED前照燈應(yīng)用電路圖
對(duì)于汽車尾燈應(yīng)用而言,可以根據(jù)應(yīng)用需求的不同,采用CCR這樣的低成本低電流LED驅(qū)動(dòng)方案,也可以采用提供更高性能、更高能效等級(jí)的高集成度等級(jí)解決方案,如安森美半導(dǎo)體的高集成度線性電流穩(wěn)流及控制器NCV7680。這器件包含8路線性可編程恒流源,其設(shè)計(jì)用于汽車組合尾燈的穩(wěn)流和控制,每通道最高可輸出75 mA的LED驅(qū)動(dòng)電流。NCV7680由于功能高度集成,使工程師能輕松地實(shí)現(xiàn)兩個(gè)亮度等級(jí),其中一個(gè)用于停車,另一個(gè)用于尾部照明。如果需要,也可應(yīng)用可選的PWM控制。設(shè)計(jì)人員僅需要一個(gè)外部電阻就可以設(shè)定所有通道的輸出電流。工作溫度范圍為40℃至+150℃。
圖6:a) LED組合尾燈圖例;b)NCV7680在LED組合尾燈中的應(yīng)用電路圖
4 結(jié)語
隨著LED性能不斷提升性能及成本不斷降低,在汽車內(nèi)部及外部照明中的應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬。設(shè)計(jì)人員需要針對(duì)具體應(yīng)用選擇適合的LED驅(qū)動(dòng)器方案,如線性恒流穩(wěn)流器、線性穩(wěn)壓器或開關(guān)穩(wěn)壓器等。安森美半導(dǎo)體身為應(yīng)用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供應(yīng)商,提供應(yīng)用于汽車照明、通過AEC Q100認(rèn)證、涵蓋從低電流到大電流的完整LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品線,其中還包括新近推出的系列高集成度、高能效的照明管理集成電路,方便設(shè)計(jì)人員根據(jù)具體應(yīng)用要求,選擇適合的汽車LED驅(qū)動(dòng)器解決方案。
評(píng)論