基于驅(qū)動器如何實現(xiàn)汽車LED前燈的設(shè)計？有哪些解決方案？

汽車照明的各個部分都可以采用LED，從前燈到霧燈，儀表背光到反光鏡的照明、尾燈照明、內(nèi)飾照明等，安森美提供一系列的標準照明模擬產(chǎn)品，如NCV3065和分立器件如NSI45系列，以及收購AMIS獲得的一系列產(chǎn)品如ASSP等，為不同的照明子系統(tǒng)提供專業(yè)的汽車級照明解決方案。

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，越來越先進的照明技木在汽車上正得到更多應(yīng)用。其中，LED照明具有鹵素?zé)艉碗瘹鉄魺o法比擬的優(yōu)點，如壽命長、響應(yīng)時間快、節(jié)能環(huán)保等，加快了在汽車照明中大量采用的步伐。

對此安森美半導(dǎo)體為汽車前照燈照明應(yīng)用提供寬廣陣容的產(chǎn)品，從一般燈泡驅(qū)動器方案到步進驅(qū)動器、LED驅(qū)動器和氙燈驅(qū)動器等，持續(xù)致力于汽車前照燈、儀表盤背光、內(nèi)部照明、車門照明及尾燈等汽車照明應(yīng)用提供包括標準及定制產(chǎn)品在內(nèi)的豐富方案，尤其是在前照燈調(diào)整、偏轉(zhuǎn)用氙氣燈驅(qū)動專用集成電路和成為事實標準的步進驅(qū)動器方面市場。

各類型產(chǎn)品特征及整體解決方案

安森美線性穩(wěn)壓器針對低電路的應(yīng)用，比如20mA的LED，它的總功耗比較低，可以在85度的環(huán)境下工作，系統(tǒng)集成度比較低，如NSI45系列的CCR或NUD系列就可以滿足這類的要求;

對于開關(guān)穩(wěn)壓器，它的特征是LED功率會比較高，能達到700mA左右，屬于中高等的總功耗，可以在高125度的環(huán)境下工作，它的系統(tǒng)集成度也比較低，可以用NCV3056/66系列實現(xiàn)對它的控制;

對于照明管理集成芯片，它的功率也比較大，環(huán)境溫度也可以達到125度，是一個完整獨立的子系統(tǒng)，所以集成度會比較高， NCV78663和NCV7680就是針對這種應(yīng)用使用的。

前照燈驅(qū)動器及位置調(diào)節(jié)器

其一，前照LED照明。LED前照明一般要求支持從單個LED到多個LED串，電壓高達60V，需要PWM調(diào)光，需要高能效集成驅(qū)動器，更需要LED串的低EMC輻射，還需要診斷和同步接口。安森美半導(dǎo)體的AMIS-30623單芯片微步進電機驅(qū)動器適用于前照燈的水平調(diào)整和偏轉(zhuǎn)控制。它集成了控制器和LIN接口，用LIN主機實現(xiàn)遠程連接的專用機電一體化解決方案設(shè)計。該器件通過總線接收位置調(diào)整指令，隨后驅(qū)動電機線圈到所需的位置，利用電流、速度、加速度和減速配置參數(shù)。AMIS- 30623還還可檢測電機停轉(zhuǎn)狀態(tài)。

圖2：AMIS-30623前照燈水平調(diào)整和偏轉(zhuǎn)電路

另外，兩款器件也可以用于上述應(yīng)用，NCV70521和NCV70522均為單芯片微步進電機驅(qū)動器，帶有電流轉(zhuǎn)換表和SPI接口。 NCV70522還包括嵌入式5 V穩(wěn)壓器和看門狗復(fù)位功能。該器件可作為外設(shè)驅(qū)動器，接受來自微控制器的“下一步微步”指令，并使電機線圈電流與所需速度同步。集成的SPI總線允許參數(shù)設(shè)置和診斷反饋。

圖3：NCV70522單芯片微步進電機驅(qū)動器

其二，高級LED前照燈電源鎮(zhèn)流器。安森美半導(dǎo)體的NCV78663單芯片、智能前照燈LED驅(qū)動器可實現(xiàn)遠光燈及霧燈的單芯片控制。NCV78663集成了數(shù)字調(diào)光、SPI可編程設(shè)置和內(nèi)置診斷，提供了一個集成的、高能效集成型前照燈控制解決方案。

圖4：NCV78663前照燈電源鎮(zhèn)流器

其三，LED組合尾燈控制器。NCV7680可以作為一個獨立器件，也可以作為配合復(fù)雜系統(tǒng)的額外支持電路。結(jié)合升壓控制器運行時，額外LED可連接為一個LED串。其典型應(yīng)用包括組合尾燈、日間行車燈(DRL)、霧燈、中央高位剎車燈(CHMSL)陣列、轉(zhuǎn)向指示燈和其他外部調(diào)制應(yīng)用、液晶顯示器(LCD)背光等。

LED是一種高效環(huán)保的新型半導(dǎo)體光源，有其它光源無法比擬的優(yōu)勢。在未來汽車照明應(yīng)用中前景光明。LED 可以用串聯(lián)、并聯(lián)等不同的方式組合成LED 陣列，以滿足汽車照明強度的要求。針對LED 的發(fā)光特性，重點討論了LED 驅(qū)動的設(shè)計及特點，同時簡述了LED 目前存在的問題及解決方法。

1、汽車車燈作用及要求

目前，汽車日趨平民化，已成為主要交通工具，行車安全引起了社會廣泛的關(guān)注。據(jù)不完全統(tǒng)計，汽車在夜晚或自然光線不足的情況下行駛的里程占總行駛里程的25%，而在此間發(fā)生的交通事故占到總事故的40%，并且一半以上的傷亡事故發(fā)生在夜間。因此，車外照明燈及信號燈是汽車安全行駛的關(guān)鍵部件，必須滿足下列條件：

(1)汽車照明燈點亮無延遲，響應(yīng)時間更快，給駕駛員更多的反應(yīng)時間。

(2)照明亮度強，在夜間或自然光線不足的情況下提高駕駛員的視野，同時使車外信號燈的指示作用更強。

(3)高耐震，工作可靠性高，避免因照明故障引起的意外事故。

(4)節(jié)能，能夠有效減少廢氣的排放量，保護環(huán)境。

(5)基于汽車銷售競爭日益激烈，車燈設(shè)計要實用和美觀。

2、LED 成為汽車照明選材中的新星

2.1 LED 的工作原理

LED 是特殊的二極管，是一種通過摻雜等手段形成PN 結(jié)的半導(dǎo)體器件。當(dāng)滿足二極管導(dǎo)通條件時，電流流過LED，以光和熱的形式釋放出能量。LED 是電流控制的電流型元件，其發(fā)光強度主要依據(jù)通過的電流大小，正向?qū)〞r，其壓降非常高，而且本身具有一定的波動范圍。

由于LED 沒有紅外線及紫外線的輻射，其消耗的能量除轉(zhuǎn)換為光能外，幾乎都是熱能，且只能以熱傳導(dǎo)的形式傳出，因此，LED 在工作時，結(jié)溫會逐漸升高。而LED 是具有負溫度系數(shù)的器件，流過LED 的電流會隨溫度升高而增大，這就形成了正反饋，造成結(jié)溫的進一步升高，如不加控制，就會燒毀LED。LED 的熱學(xué)參數(shù)與PN 結(jié)的結(jié)溫有很大關(guān)系，主波長與溫度的關(guān)系如下式：

mp(Tl) = m0(T0)+ 3Tg #0.1nm/°C

由上式可知，每當(dāng)LED 結(jié)溫升高10℃時，主波長 ( 人眼能夠觀察到的) 就會向長波漂移1nm(1nm=10-9m)，導(dǎo)致LED 亮度下降，出現(xiàn)光衰。因此， 個別LED 過熱，就會造成LED 陣列發(fā)光的均勻性變差。

2.2 LED 顯著的照明優(yōu)勢

LED 被稱為新光源，原因在于LED 具備點光源與固態(tài)光源的特性，因此具有其它照明光源無法比擬的優(yōu)點。

(1)LED 壽命理論上可達10 萬小時， 實際壽命也可達到2 萬小時以上，比一般白炙燈泡的1 000 小時、日光燈具的1 萬小時更具優(yōu)勢，在汽車使用壽命期間一般無須更換。

(2)點亮無延遲，響應(yīng)時間更快。LED 的啟動時間僅為幾十納秒，啟動時間較白熾燈泡大大縮短。

(3)在光線亮度高、自然光線可見度低的情況下，大大降低汽車事故發(fā)生率;基本上無輻射，屬于“綠色光源”。

(4)LED 占用體積小， 結(jié)構(gòu)簡單，高耐震，設(shè)計者可以隨意變換燈具模式，令汽車造型多樣化，滿足不同消費者需求。

(5)LED 光源受電壓變化的影響遠遠小于白熾燈泡，顯示了卓越的安全性和可靠性，同時消耗的能量較同光效的白熾燈減少80%，非常節(jié)能。

基于上述優(yōu)勢，LED 可以在汽車照明中廣泛應(yīng)用，但單個LED 無法滿足汽車照明強度的要求，必須多個串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)成LED 陣列使用，如圖1 所示。

圖1 LED 組合成的照明光源

2.3 LED 驅(qū)動的設(shè)計及特點

LED 驅(qū)動方式可采用電阻限流、線性穩(wěn)壓器和開關(guān)型變換器3 類。電阻限流方案適用于效率低的應(yīng)用場合，所以對效率要求極高，輸入電壓范圍寬的汽車照明上不采用此方法;線性穩(wěn)壓器適應(yīng)于低電流或LED 正向壓降稍低于電源電壓的場合，但同樣存在效率和輸入電壓范圍小的問題;開關(guān)型變換器具有電路拓撲靈活、效率高和輸入電壓寬的特性。因此，綜合考慮工作效率、安裝尺寸、靜態(tài)電流、工作電壓、噪聲和輸出調(diào)節(jié)等因素后，驅(qū)動電路多采用開關(guān)型變換器。開關(guān)變換器拓撲結(jié)構(gòu)分為Buck、Boost 及Buck-Boos 等方式。目前來看，LED 應(yīng)用在汽車照明上，其驅(qū)動電源必然是鉛酸蓄電池。

因為蓄電池的輸入電壓范圍會與正常的范圍有很大的出入，因此驅(qū)動電路一般用Buck-Boost 拓撲結(jié)構(gòu)滿足LED陣列對電壓要求。此電路拓撲結(jié)構(gòu)直流增益 (輸出電壓與輸入電壓之比)與占空比D(一個開關(guān)周期內(nèi)，開通時間與周期的比值)有關(guān)。當(dāng)電池電壓低于LED 所需電壓時，調(diào)節(jié)D > 0.5，使電路處于升壓狀態(tài);當(dāng)電池電壓高于LED 所需電壓時，調(diào)節(jié)D < 0.5，使電路處于降壓狀態(tài)。LED 是電流控制的電流型元件，亮度與流過的電流成正比。如果LED 不是恒流驅(qū)動，通過的電流波動時，即使電壓恒定也會造成LED 的亮度變化。為保證亮度穩(wěn)定可靠，LED 需要恒定的電流來驅(qū)動，而且還需要在任何情況下都能將紋波電流控制在可接受的水平。所以，LED 驅(qū)動電路的輸出。

LED照明成本的很大一部分是由LED本身、熱管理組件(如翅片金屬散熱器)和堅固的LED驅(qū)動器電路的成本驅(qū)動的。傳統(tǒng)上， 每種 LED 光束或光源類型都需要自己的 LED 驅(qū)動器 PCB.如果使用單個驅(qū)動器驅(qū)動照明集群內(nèi)的多個LED串(串聯(lián))，則可以顯著降低成本和復(fù)雜性。

全面的多 LED 燈串驅(qū)動器必須支持高功率 LED 燈串所需的高電壓和高電流。它還必須巧妙地處理某些 LED 串的開/關(guān)轉(zhuǎn)換，而其他 LED 串則保持打開且不受影響。在汽車環(huán)境中，它應(yīng)適應(yīng)寬范圍的輸入和輸出電壓，即輸入端的電池和輸出端的LED串。汽車環(huán)境還要求驅(qū)動器具有低EMI以及開路和短路故障保護。

LT®3795 和 LT3952 汽車 LED 驅(qū)動器在用于升壓和(正在申請專利)升壓-降壓拓撲時可滿足這些要求。這些 LED 驅(qū)動器可在高壓升壓(升壓)和升壓-降壓(升壓和降壓)拓撲中工作。它們支持大堆疊的 LED 串，可接受較寬的電池電壓范圍，并且可以優(yōu)雅地轉(zhuǎn)換輸出中 ON LED 的數(shù)量。它們均具有擴頻頻率調(diào)制功能，可降低 EMI，并具有短路和開路 LED 保護功能。

用于近光燈、遠光燈和日間行車燈的增強型 LED 驅(qū)動器

近光燈、遠光燈和日間行車燈前照燈組的總電壓在 1A LED 驅(qū)動時約為 70V。100V+ LT3795 單通道 LED 驅(qū)動器可直接從標準 9V–16V 汽車輸入驅(qū)動 70W LED — 集群中的所有三個燈均可串聯(lián)驅(qū)動。

圖 1 中的組合驅(qū)動器電路示出了 LT3795 單通道 LED 驅(qū)動器如何用于在升壓拓撲中通過日間行車燈、近光燈和遠光燈為 1A 供電。這允許打開和關(guān)閉近光燈和遠光燈 - 日間行車燈始終亮起。