基于驅(qū)動(dòng)器如何實(shí)現(xiàn)汽車LED前燈的設(shè)計(jì)？有哪些解決方案？

汽車照明的各個(gè)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(biāo)準(zhǔn)照明模擬產(chǎn)品，如NCV3065和分立器件如NSI45系列，以及收購(gòu)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(jí)照明解決方案。

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越先進(jìn)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(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如壽命長(zhǎng)、響應(yīng)時(shí)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(duì)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(dòng)器方案到步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、LED驅(qū)動(dòng)器和氙燈驅(qū)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)專用集成電路和成為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器方面市場(chǎng)。

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(duì)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(duì)于開關(guān)穩(wěn)壓器，它的特征是LED功率會(huì)比較高，能達(dá)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(shí)現(xiàn)對(duì)它的控制;

對(duì)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(dá)到125度，是一個(gè)完整獨(dú)立的子系統(tǒng)，所以集成度會(huì)比較高， NCV78663和NCV7680就是針對(duì)這種應(yīng)用使用的。

前照燈驅(qū)動(dòng)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(gè)LED到多個(gè)LED串，電壓高達(dá)60V，需要PWM調(diào)光，需要高能效集成驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接的專用機(jī)電一體化解決方案設(shè)計(jì)。該器件通過總線接收位置調(diào)整指令，隨后驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(cè)電機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器，接受來(lái)自微控制器的“下一步微步”指令，并使電機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

其二，高級(jí)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(dòng)器可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(gè)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(gè)獨(dú)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(yùn)行時(shí)，額外LED可連接為一個(gè)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(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。在未來(lái)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(qiáng)度的要求。針對(duì)LED 的發(fā)光特性，重點(diǎn)討論了LED 驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)及特點(diǎn)，同時(shí)簡(jiǎn)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(huì)廣泛的關(guān)注。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(hào)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(diǎn)亮無(wú)延遲，響應(yīng)時(shí)間更快，給駕駛員更多的反應(yīng)時(shí)間。

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

(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?gòu)U氣的排放量，保護(hù)環(huán)境。

(5)基于汽車銷售競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，車燈設(shè)計(jì)要實(shí)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(shí)，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(qiáng)度主要依據(jù)通過的電流大小，正向?qū)〞r(shí)，其壓降非常高，而且本身具有一定的波動(dòng)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(shí)，結(jié)溫會(huì)逐漸升高。而LED 是具有負(fù)溫度系數(shù)的器件，流過LED 的電流會(huì)隨溫度升高而增大，這就形成了正反饋，造成結(jié)溫的進(jìn)一步升高，如不加控制，就會(huì)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(zhǎng)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(shí)，主波長(zhǎng) ( 人眼能夠觀察到的) 就會(huì)向長(zhǎng)波漂移1nm(1nm=10-9m)，導(dǎo)致LED 亮度下降，出現(xiàn)光衰。因此， 個(gè)別LED 過熱，就會(huì)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(shì)

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

(1)LED 壽命理論上可達(dá)10 萬(wàn)小時(shí)， 實(shí)際壽命也可達(dá)到2 萬(wàn)小時(shí)以上，比一般白炙燈泡的1 000 小時(shí)、日光燈具的1 萬(wàn)小時(shí)更具優(yōu)勢(shì)，在汽車使用壽命期間一般無(wú)須更換。

(2)點(diǎn)亮無(wú)延遲，響應(yīng)時(shí)間更快。LED 的啟動(dòng)時(shí)間僅為幾十納秒，啟動(dòng)時(shí)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(wú)輻射，屬于“綠色光源”。

(4)LED 占用體積小， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高耐震，設(shè)計(jì)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(fèi)者需求。

(5)LED 光源受電壓變化的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于白熾燈泡，顯示了卓越的安全性和可靠性，同時(shí)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(shì)，LED 可以在汽車照明中廣泛應(yīng)用，但單個(gè)LED 無(wú)法滿足汽車照明強(qiáng)度的要求，必須多個(gè)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(dòng)的設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

LED 驅(qū)動(dòng)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(chǎng)合，所以對(duì)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(chǎng)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?fù)潇`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(dòng)電路多采用開關(guān)型變換器。開關(guān)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為Buck、Boost 及Buck-Boos 等方式。目前來(lái)看，LED 應(yīng)用在汽車照明上，其驅(qū)動(dòng)電源必然是鉛酸蓄電池。

因?yàn)樾铍姵氐妮斎腚妷悍秶鷷?huì)與正常的范圍有很大的出入，因此驅(qū)動(dòng)電路一般用Buck-Boost 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)滿足LED陣列對(duì)電壓要求。此電路拓?fù)浣Y(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(gè)開關(guān)周期內(nèi)，開通時(shí)間與周期的比值)有關(guān)。當(dāng)電池電壓低于LED 所需電壓時(shí)，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(shí)，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(dòng)，通過的電流波動(dòng)時(shí)，即使電壓恒定也會(huì)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(lái)驅(qū)動(dòng)，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(dòng)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(jiān)固的LED驅(qū)動(dòng)器電路的成本驅(qū)動(dòng)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(dòng)器 PCB.如果使用單個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)照明集群內(nèi)的多個(gè)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(dòng)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(dòng)器具有低EMI以及開路和短路故障保護(hù)。

LT®3795 和 LT3952 汽車 LED 驅(qū)動(dòng)器在用于升壓和(正在申請(qǐng)專利)升壓-降壓拓?fù)鋾r(shí)可滿足這些要求。這些 LED 驅(qū)動(dòng)器可在高壓升壓(升壓)和升壓-降壓(升壓和降壓)拓?fù)渲泄ぷ?。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(kuò)頻頻率調(diào)制功能，可降低 EMI，并具有短路和開路 LED 保護(hù)功能。

用于近光燈、遠(yuǎn)光燈和日間行車燈的增強(qiáng)型 LED 驅(qū)動(dòng)器

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

圖 1 中的組合驅(qū)動(dòng)器電路示出了 LT3795 單通道 LED 驅(qū)動(dòng)器如何用于在升壓拓?fù)渲型ㄟ^日間行車燈、近光燈和遠(yuǎn)光燈為 1A 供電。這允許打開和關(guān)閉近光燈和遠(yuǎn)光燈 - 日間行車燈始終亮起。