【導(dǎo)讀】汽車環(huán)境為LED帶來了巨大的挑戰(zhàn)，LED必須能提供穩(wěn)定的光輸出，即使大燈周圍的電氣條件和散熱條件不斷變化，燈光的通量和色點(diǎn)也必須保持恒定。本文提出一種完全集成、靈活的汽車LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，不但能滿足汽車外部照明應(yīng)用的各種要求，同時(shí)還能克服現(xiàn)有電子器件設(shè)計(jì)存在的諸多不足…
LED燈在這些汽車前部照明應(yīng)用中得到日益廣泛的使用，其主要原因在于：相對于常規(guī)白熾燈或高亮度放電(HID)燈，LED燈在款式和設(shè)計(jì)方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢，近期則更是得益于低功耗這一特性。但是，同樣重要的是隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)可以提供更高的功率水平和更寬的色域。目前，在汽車前部照明應(yīng)用中，LED燈的性能已不亞于白熾燈。
本文旨在探討LED照明系統(tǒng)中的這一重要元件，指出在開發(fā)LED外燈驅(qū)動(dòng)電子架構(gòu)時(shí)需要考慮的因素。文章將說明在汽車外部照明應(yīng)用中使用 LED燈的原因(如使用壽命長、功耗低)，同時(shí)討論在這些應(yīng)用中引入LED燈所面臨的挑戰(zhàn)，其中包括行業(yè)要求(AEC-Q100)和功能要求。
在此基礎(chǔ)上，我們將深入研究這些應(yīng)用要求對電子器件的影響，以便充分挖掘LED燈的巨大潛力。我們將提出一種通用型LED照明系統(tǒng)架構(gòu)，同時(shí)列出電子控制裝置所要求的特性。這些特性包括LED散熱管理、靈活地驅(qū)動(dòng)不同LED配置以及具有成本優(yōu)勢的系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。
LED在汽車應(yīng)用領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)
汽車環(huán)境為LED帶來了巨大的挑戰(zhàn)，LED必須能提供穩(wěn)定的光輸出，即使大燈周圍的電氣條件和散熱條件不斷變化，燈光的通量和色點(diǎn)也必須保持恒定。
由于LED的光輸出與應(yīng)用于LED的電流成比例，同時(shí)，LED采用的是擴(kuò)散式生產(chǎn)工藝，因此即使是同一批次的產(chǎn)品，也可能在驅(qū)動(dòng)電流相同的情況下，其光輸出存在差異。為了避免這種不利差異，往往根據(jù)某些參數(shù)(如正向電壓、通量輸出)來選擇LED(也稱"篩選")。通過篩選，可以確保同一批次的 LED在光輸出和色點(diǎn)方面更加一致。
LED還必須保證在-40℃至+125℃的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，光輸出達(dá)到具體應(yīng)用的最低法定光通量要求。頭燈的光通量需要達(dá)到1,000流明左右，并能在工作溫度范圍內(nèi)提供要求的最低光輸出。
為了達(dá)到這種光通量要求，可能要將數(shù)個(gè)LED串聯(lián)或并聯(lián)起來。將多個(gè)高亮度LED燈集合到一起同時(shí)對散熱管理提出了很高的要求，因?yàn)殡S著LED溫度的升高，LED的光輸出會(huì)大幅下降，色點(diǎn)會(huì)發(fā)生偏移。因此，LED在產(chǎn)生這種量級的光的過程中散發(fā)的熱量必須通過散熱器傳導(dǎo)出去。在一些極端情況下，可能需要降低LED的驅(qū)動(dòng)電流，以避免LED過熱和損毀。
汽車工業(yè)對LED的可靠性同樣提出了嚴(yán)格的要求。LED解決方案必須能夠達(dá)到AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求。這就意味著，LED及驅(qū)動(dòng)器電子器件必須通過該標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。
此外，汽車制造商以及一級照明產(chǎn)品供應(yīng)商提出了其他的功能要求，比如利用LED來提供雙重功能，舉例來說，日間行駛燈有時(shí)充當(dāng)停車燈，尾燈有時(shí)用作停止燈。這就意味著，LED提供的光必須具有兩個(gè)可以控制的輸出水平。為了避免不同電流水平下的色點(diǎn)偏移，多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過對LED電流進(jìn)行一種脈沖寬度調(diào)制(PWM)處理，以減少LED的平均電流，同時(shí)還能使峰值電流維持恒定。這樣在相同的色點(diǎn)下，可以實(shí)現(xiàn)較低的光輸出水平。 下一節(jié)將介紹在汽車應(yīng)用中為什么在汽車照明中采用LED？
為什么在汽車照明中采用LED？
對于汽車制造商來說，款式上的優(yōu)勢仍然是使用LED燈的主要原因之一。顯然，汽車制造商看到了進(jìn)一步鞏固其汽車品牌的機(jī)會(huì)。已有多種照明設(shè)計(jì)從 LED燈提供的更大設(shè)計(jì)自由度中受益。較為著名的早期案例包括奧迪A8/A6。
不過，關(guān)注點(diǎn)正在向LED燈對汽車照明應(yīng)用帶來的其他優(yōu)勢上轉(zhuǎn)移。其中包括更低的功耗、更長的使用壽命和更快的啟動(dòng)時(shí)間。
密歇根大學(xué)運(yùn)輸研究學(xué)院(UMTRI)在2008年發(fā)布了一份報(bào)告，評估了常規(guī)白熾燈和LED解決方案在白天行駛照明功能的能耗水平。他們發(fā)現(xiàn)，對于等效功能，LED解決方案的能耗水平要低50%(23W對46W)。這種節(jié)省可以直接轉(zhuǎn)換成燃油效率，同時(shí)還能使客車的二氧化碳排放量減少50%。
對于準(zhǔn)備開發(fā)全電動(dòng)汽車的汽車制造商來說，這種燃油效率十分重要。而對于消費(fèi)者來說，一個(gè)重要的購買標(biāo)準(zhǔn)是電動(dòng)汽車在充滿電的情況下能行駛的距離。為此，汽車制造商們正在尋找適當(dāng)?shù)姆绞?，以改善各種功能的能耗水平，從而提高汽車的續(xù)航能力。LED燈顯然具有極大的節(jié)能優(yōu)勢，因而日益成為照明設(shè)計(jì)工程師們的自然選擇。
另一個(gè)對LED效率的提升以及LED在汽車照明應(yīng)用領(lǐng)域的滲透做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)的重要因素是LED的照明效率，即每瓦特的流明(lm/W)。該指標(biāo)衡量的是LED燈每消耗一瓦特能量所產(chǎn)生的光輸出量。該值越高，LED將輸入功率轉(zhuǎn)換為光輸出的效率就越高。如今的高亮度LED燈能實(shí)現(xiàn) 100-150lm/W的照明效率，而一只60W白熾燈僅為10-18lm/W。
這項(xiàng)指標(biāo)的改進(jìn)極大地?cái)U(kuò)大了LED燈的應(yīng)用范圍，并拓展到完全以LED燈為基礎(chǔ)的汽車前部照明系統(tǒng)之中。尤其是完全以LED為基礎(chǔ)的大燈，其中包括遠(yuǎn)光和近光調(diào)整等功能。
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LED對電子系統(tǒng)架構(gòu)的影響
實(shí)際上，LED的諸多功能和優(yōu)勢取決于用于驅(qū)動(dòng)它們的電子器件。電子驅(qū)動(dòng)器解決方案會(huì)對LED以及整個(gè)系統(tǒng)的效率和性能產(chǎn)生巨大影響。
圖1所示為一種針對外部LED燈的通用型LED照明系統(tǒng)架構(gòu)。圖中顯示了用于驅(qū)動(dòng)LED的一種通用照明控制模塊(LCM)的主要組件。雖然有些架構(gòu)的LED與驅(qū)動(dòng)器電子器件位于同一模塊上，但本方案的LED設(shè)于驅(qū)動(dòng)器控制模塊的一個(gè)獨(dú)立LED模塊上。
圖1：一種通用型汽車LED照明系統(tǒng)架構(gòu)
為了識(shí)別LED的批次，通常要采用一個(gè)篩選電阻或編碼電阻。通過測量該電阻的值，LCM可以確定應(yīng)向LED提供的確切電流量，以確保達(dá)到具體功能的光輸出要求。
LCM從車身控制模塊接收功率和控制信號(hào)。其中往往包括用于提供動(dòng)力的電池和地電源。有些架構(gòu)含有來自車身控制模塊的一條控制線路，通過其中的控制信號(hào)來改變LED串的功能。例如，當(dāng)用同一LED串來充當(dāng)日間行駛燈和停車燈時(shí)，就需要控制信號(hào)來選擇所需功能。更先進(jìn)的架構(gòu)采用CAN網(wǎng)絡(luò)來控制照明，因而采用一條CAN總線電纜來確定具體功能。
為了對來自LED模塊和車身控制器的這些控制信號(hào)進(jìn)行處理，LCM有時(shí)會(huì)采用一個(gè)微控制器。該微控制器可以讀取這些控制信號(hào)，并對驅(qū)動(dòng)器IC進(jìn)行相應(yīng)的配置。這有利于增加LCM的靈活性，使其可以驅(qū)動(dòng)任意LED配置，從而提高驅(qū)動(dòng)器控制板在不同汽車平臺(tái)中的重復(fù)利用價(jià)值。
驅(qū)動(dòng)器電路本身的主要功能是為LED串提供受控電流。該電路可以采用不同的架構(gòu)，比如線性調(diào)節(jié)器或開關(guān)調(diào)節(jié)器。然而，隨著功率水平的增加，效率變得越來越重要，因而通常采用開關(guān)調(diào)節(jié)器。這些轉(zhuǎn)換器可以采用升壓、降壓或降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有其自身的優(yōu)勢和不足，與輸出靈活性、效率和系統(tǒng)成本相關(guān)，具體應(yīng)用取決于具體設(shè)計(jì)。
在確定采用哪種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，必須考慮以下事實(shí)：電池向LCM提供的電源電壓的變化范圍非常大，低至6V(現(xiàn)代起止發(fā)動(dòng)機(jī)的冷啟動(dòng))，高達(dá)24V。就如多數(shù)汽車制造商堅(jiān)持的那樣，在這些條件下，外部照明功能應(yīng)能正常運(yùn)行，因此，驅(qū)動(dòng)器電路必須能在如此寬的輸入電壓范圍內(nèi)向LED 串提供相應(yīng)的輸出電壓/電流，以驅(qū)動(dòng)LED。在這些要求下，經(jīng)常采用降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
另外，隨著照明控制模塊向通用型不斷發(fā)展，降壓/升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成了首要選擇，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)在輸出電壓方面具有最大的靈活性，不受輸入電壓影響，有效地彌補(bǔ)了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在效率方面的微小差異。
如前所述，LCM為LED提供PWM電流。然而，為了避免該P(yáng)WM電流使LED光發(fā)生肉眼可見的閃爍，一般采用200Hz以上的PWM頻率。 PWM占空比也可以發(fā)生變化，以根據(jù)所需功能(如日間行駛燈或停車燈)向LED串提供不同的平均電流。
可見，燈光控制模塊必須能將來自車身控制器的輸入功率轉(zhuǎn)換成頻率超過200Hz且具有相應(yīng)占空比的PWM電流，以便向LED提供適當(dāng)?shù)钠骄娏鳎瑥亩鴮?shí)現(xiàn)所需要的功能。
采用DC/DC開關(guān)調(diào)節(jié)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同樣需要確?？刂颇K不輻射且不受電磁干擾。因此，需要采用正確的電子器件設(shè)計(jì)和電路板布局，以避免這種干擾。
在圖1的示意圖中，LED與驅(qū)動(dòng)器控制模塊相互獨(dú)立，二者由一個(gè)連接器相連。這種架構(gòu)要求對LED進(jìn)行保護(hù)，防止其電池或地引腳因連接器故障而意外短路，從而避免LED和驅(qū)動(dòng)器電路遭到損壞。
除了短路條件以外，LCM還需具備檢測LED故障的能力。其中包括檢測LED的開路故障和短路故障。LED串中的單個(gè)LED發(fā)生開路故障時(shí)，檢測起來相對容易，但短路故障的檢測更具挑戰(zhàn)性。單個(gè)LED正向電壓的內(nèi)在擴(kuò)散性在較長LED串中積聚時(shí)，會(huì)變得非常明顯。這增加了檢測短路發(fā)生時(shí)間的難度。當(dāng)LCM檢測到故障LED時(shí)，可能同時(shí)需要將診斷信號(hào)發(fā)回車身控制模塊，以便提醒駕駛員。
這就需要采用燈光控制模塊，以便提供所有上述功能，同時(shí)達(dá)到汽車工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求。這就意味著，該模塊和相關(guān)組件必須通過符合AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)的汽車認(rèn)證。汽車照明被認(rèn)為是一種事關(guān)安全的重要功能，因此，其可靠性是重中之重。
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LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)解決方案
從上述各項(xiàng)要求可以看出，挑戰(zhàn)在于如何設(shè)計(jì)一種解決方案，能在降低系統(tǒng)成本的同時(shí)提供所需的功能、靈活性、系統(tǒng)可靠性和集成度。
一種可能的解決方案是采用恩智浦半導(dǎo)體提供的ASL1010PTK驅(qū)動(dòng)器IC。ASL1010PTK驅(qū)動(dòng)器IC集成了汽車LED燈必需的核心功能，是一種緊湊型一體化解決方案，且無需增添額外部件。對于LED模塊設(shè)計(jì)而言，有利于降低成本、增強(qiáng)美感、提高可靠性。
此外，這一系統(tǒng)解決方案具有極高的靈活性，不受汽車平臺(tái)和LED配置的限制，而且無需重新設(shè)計(jì)PCB電路板。集成式設(shè)計(jì)免除了不同平臺(tái)的冗余功能以及對外置微控制器的需要，從而將系統(tǒng)成本控制在較低水平。
ASL1010PTK驅(qū)動(dòng)器IC采用降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用標(biāo)準(zhǔn)汽車電池電壓即可安全驅(qū)動(dòng)多達(dá)20個(gè)LED燈；輸出電壓極其靈活，范圍為6V至 60V，支持目前市場上的各類LED，非常適合驅(qū)動(dòng)汽車應(yīng)用中的高亮度LED。
圖2中的示意圖展示了一種驅(qū)動(dòng)器電路的典型基準(zhǔn)電壓設(shè)計(jì)。
圖2：典型應(yīng)用示意圖(采用面向汽車前部照明的ASL1010PTK)。
由于驅(qū)動(dòng)器IC集成度很高，因此應(yīng)用設(shè)計(jì)在只需極少的外部組件的同時(shí)，還能維持系統(tǒng)的靈活性。在圖2所示的應(yīng)用示意圖中，通過少量組件就實(shí)現(xiàn)了溫度反饋功能，可控制LED的溫度和性能；故障檢測功能，可在LED出現(xiàn)故障時(shí)提供反饋；短路保護(hù)功能，使LED和驅(qū)動(dòng)器IC免受電池和地引腳短路影響；靈活的電流選擇和PWM編程功能；可調(diào)LED內(nèi)部PWM產(chǎn)生功能，允許同一LED燈同時(shí)用作日間行駛燈和停車燈。LED欠壓和過壓保護(hù)。
借助這款尺寸小、散熱性能良好的器件(HVSON14)，驅(qū)動(dòng)器IC可為LED串提供最高1A的電流。由于采用了高精度的集成電流源，該驅(qū)動(dòng)器 IC可以有效消除任何LED紋波電流，無需添加額外的外部組件。
本文小結(jié)
近年來，LED在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用呈大幅增長之勢，究其原因在于LED具有無與倫比的設(shè)計(jì)靈活性、更長的使用壽命和更低的功耗水平。LED本身的性能也得到了大幅提升，增加了其在汽車應(yīng)用領(lǐng)域的可用性。
隨著LED應(yīng)用的不斷增多，我們還需要一種更加高效、更加穩(wěn)健、更具成本優(yōu)勢的電子器件和驅(qū)動(dòng)器IC，以便使LED的優(yōu)勢在汽車應(yīng)用中得到充分發(fā)揮。
基于一種通用型LED照明系統(tǒng)架構(gòu)，我們探討了電子控制裝置需要的特性，其中包括LED散熱管理、驅(qū)動(dòng)不同LED配置的靈活性以及具有成本優(yōu)勢的系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。
為了滿足這些不同的要求，我們提出了一種完全集成且非常靈活的汽車LED驅(qū)動(dòng)器IC解決方案。ASL1010PTK為電路的設(shè)計(jì)提供了極大的便利，將外部組件的數(shù)量減至最少，同時(shí)還能提供驅(qū)動(dòng)汽車LED所需要的必要功能，并可在系統(tǒng)層次維持較大的靈活性。
