【導讀】智能汽車照明正不斷演進,轉(zhuǎn)向基于LED的方案,提高道路安全性,實現(xiàn)節(jié)能3到5倍,增強用戶體驗,且創(chuàng)新的車燈造型設計以及可靠性的提升,還不斷拓寬汽車照明的新境界。安森美(onsemi)關(guān)注汽車領(lǐng)域的趨勢發(fā)展,不斷推出創(chuàng)新的智能電源和智能感知技術(shù),以確保道路安全,也是汽車照明領(lǐng)域的開拓者和引領(lǐng)者。本文聚焦汽車外部照明的系統(tǒng)級應用和安森美相關(guān)設計的半導體方案,包括矩陣/像素燈、造型定制及車聯(lián)萬物 (V2X)。
前照燈及SPI接口LED驅(qū)動器模塊
前照燈包括近光燈、遠光燈、日行燈、示寬燈、轉(zhuǎn)向燈和霧燈。由于系統(tǒng)總功率非常大,而且集成了很多功能,需要更多的散熱,設計相對復雜,因此,一般會把前照燈的LED驅(qū)動電路單獨做成一個模塊,有助于加快研發(fā)周期,平臺化項目管理,可靈活用于多種車輛結(jié)構(gòu)和燈組造型。高級LED驅(qū)動模塊可最優(yōu)化前大燈性能,能為單個LED燈珠或多個LED燈串供電,可編程,以實現(xiàn)對各類汽車燈光的控制,最小化電能消耗,含安全診斷功能和車載網(wǎng)絡(IVN)。
安森美的LED驅(qū)動模塊具備更高的集成度和可靠性,平臺化設計提供擴展性和靈活性,適用于各種前照燈設計,智能的功能分區(qū)有助于降低成本,還實現(xiàn)獨特的前向照明效果,減少碳排放,有助于電動車增加續(xù)航。如圖1是一個前照燈系統(tǒng)中LED驅(qū)動電路的框圖,這6通道LED模塊可驅(qū)動多組LED燈串,對應遠光燈、近光燈、柱形燈、角燈、轉(zhuǎn)向燈等,含LED驅(qū)動芯片、步進電機驅(qū)動芯片、各種傳感器接口、電源及電源管理芯片、接口保護芯片、車聯(lián)網(wǎng)芯片SBC和單片機等,是個可自主工作的小系統(tǒng)。
圖1:可驅(qū)動多組LED串的前照燈模塊
安森美的單通道LED驅(qū)動器系統(tǒng)單芯片(SoC),集成了車燈所需要的安全與控制功能,比傳統(tǒng)方案簡化了外圍器件,優(yōu)化了電路的設計,可使設計人員快速完成產(chǎn)品設計,非常適用于設計單一功能的LED車燈。
安森美已開發(fā)了4代SPI-LED驅(qū)動產(chǎn)品。第2代是Boost-Buck芯片NCV78763,第3代有多通道的Buck芯片NCV78723和多相Boost芯片NCV78702、NCV78703,最高輸出電壓達60 V,是目前市面上同類型產(chǎn)品中電壓輸出能力最高的,第3.5代是多通道同步整流Buck芯片NCV78825,驅(qū)動電流能力可達3 A,也是目前市面上同類型產(chǎn)品中電流驅(qū)動能力最大的。第3代以后的產(chǎn)品適用于3組以上的LED燈串。
圖2:安森美的SPI-LED驅(qū)動產(chǎn)品選型圖
如果采用兩顆NCV78763 ,可驅(qū)動4個不同的LED燈串,將兩個Boost并聯(lián),可輸出更大功率,但這只是一種簡單的功率加成,對于驅(qū)動更大功率的LED燈組,推薦采用多相交替工作的Boost芯片。在實際應用中,一顆NCV78702/NCV78703可配合多顆NCV78723,可驅(qū)動4到12個不同功率的LED燈串,全面覆蓋遠光、近光、柱形、轉(zhuǎn)向、角燈、霧燈等功能。
在此基礎上,若再加上采用同步整流Buck技術(shù)的NCV78825,可驅(qū)動更大功率的LED燈珠,提升系統(tǒng)能效,減少發(fā)熱。
Boost-Buck電源結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢
Boost作為穩(wěn)定的電壓源,可保障多顆LED燈串所累加起來的壓降需求。Buck作為穩(wěn)定的電流源,直接驅(qū)動LED發(fā)光,由于電流源不受負載電壓瞬變的影響,可實現(xiàn)快速的開關(guān)切換,在自適應遠光燈(ADB)矩陣/像素燈組中,有非常出色的表現(xiàn)。這種架構(gòu)還有利于平臺化的設計,可任意搭配4到12組LED燈串,高度集成可減少外圍器件數(shù)和物料單(BOM)成本,SPI通信和診斷功能提高設計安全性。
用于矩陣/像素前照燈的像素控制器
矩陣/像素燈組是一種汽車先進前照明系統(tǒng),可增強前向的照明視覺,不僅服務于駕駛員,也適用于周圍的交通環(huán)境如防眩光、隨動轉(zhuǎn)向、照亮障礙物、行人規(guī)避等。光束中的單個像素可受控打開/關(guān)閉,其中的像素是指LED陣列中的一顆LED燈珠,每個像素都有一個光束照亮的區(qū)域。光束智能照射可適配駕駛意圖和交通環(huán)境,提高安全性。模塊化設計可適配任何架構(gòu)。
高級矩陣/像素燈組在多種駕駛場景中使前大燈功能最優(yōu)化,包括照射更長距離,轉(zhuǎn)彎時光束可切換,同時更清晰地照亮道路中的行人和障礙物,盡量減少對向車輛產(chǎn)生的眩光,可根據(jù)需要控制單顆LED像素的開關(guān),且包含安全診斷和車聯(lián)網(wǎng)等功能。圖4是安森美的像素/矩陣燈組應用框圖的一個例子,由4個LED燈串組成。
圖3:像素/矩陣燈組應用框圖
在像素燈控制芯片中,集成了12個旁路開關(guān),每個旁路開關(guān)都可獨立控制,我們將每3個旁路開關(guān)設定為一組,從而形成4組連接結(jié)構(gòu),從而靈活地匹配不同的功能模塊如遠光、近光、轉(zhuǎn)向、日行、格柵、造型燈等。因為不同的LED燈板模塊的驅(qū)動電流可能是不同的,這可擴展像素控制芯片的應用場景,不僅僅局限于由遠近光組成的矩陣/像素燈應用,還可實現(xiàn)多組開關(guān)的并聯(lián),使得開關(guān)所能承受的電流成倍地增加,以驅(qū)動更大功率的LED燈珠。
LED燈組 – 串聯(lián)型驅(qū)動 vs. 并聯(lián)型驅(qū)動
在廣泛的車燈中,LED燈組有兩種驅(qū)動:串聯(lián)型和并聯(lián)型。上文介紹的矩陣/像素LED燈組是串聯(lián)型結(jié)構(gòu)。當LED燈珠的額定工作電流大于300 mA時,一般選擇串聯(lián)型結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的缺點是壓降大。安森美的LED驅(qū)動芯片擁有最高可升壓至60 V 的Boost控制器,Buck芯片則負責控制整個燈串穩(wěn)定的電流輸出,因此安森美的采用Boost-Buck電源結(jié)構(gòu)的LED驅(qū)動是這種串聯(lián)型LED燈串的理想方案,同時安森美的像素燈控制芯片NCV78247和NCV78343也完美地匹配這種串聯(lián)型的LED燈組。NCV78247集成了12個矩陣開關(guān),每個開關(guān)的過電流能力是1 A,含SPI接口。NCV78343也集成了12個矩陣開關(guān),每個開關(guān)的過電流能力提升到1.4 A,含UART接口,不但可用于由遠近光組成的矩陣燈組,也適用于具有動畫效果的轉(zhuǎn)向燈、日行燈、格柵燈、造型燈等場景。
當LED燈珠額定工作電流小于100 mA時,一般選擇并聯(lián)型驅(qū)動,這種結(jié)構(gòu)的LED燈串總的額定工作電流將會是所有燈串的累加,由于采用并聯(lián)結(jié)構(gòu),所以每路壓降都保持相同。因此,它不需要Boost升壓電路,在輸入端匹配一個Buck 轉(zhuǎn)換器來穩(wěn)定總輸入電壓,然后采用多路線性恒流源來負責LED的穩(wěn)定驅(qū)動電流。安森美提供相應的NCV7685。
圖4:LED燈組 – 串聯(lián)型驅(qū)動vs.并聯(lián)型驅(qū)動
用于車后組合燈 (停車燈、尾燈、轉(zhuǎn)向燈、造型燈) 的LED線性驅(qū)動器
這類燈屬于信號燈,用于提醒周圍車輛和行人,本車即將要發(fā)生的駕駛意圖,包括轉(zhuǎn)彎、剎車、駐車等,同時車身上的各種造型也可作為汽車身份的一種標識,工作電流一般小于100 mA。車后組合燈有這些高階功能:增強型停車燈、尾燈、轉(zhuǎn)向燈是動態(tài)的分段式燈光信號,創(chuàng)新的車燈造型可實現(xiàn)以光束打造品牌、迎賓、動畫等效果,可驅(qū)動單串、多串LED燈珠,更高能效,更少損耗,并含安全診斷功能。安森美提供單通道和多通道LED線性驅(qū)動器,如圖6所示,單通道預驅(qū)動芯片有NCV7691/92,多通道預驅(qū)動芯片有NCV7693,多通道直接驅(qū)動芯片有專用于剎車、停車的NCV7683,以及帶I2C接口的NCV7685。
圖5:安森美的LED線性驅(qū)動器
NCV7692和NCV7693是恒流控制器,通過PWM控制信號驅(qū)動外置的NPN三極管,提供穩(wěn)定的線性電流。因為NCV7693可控制3路LED燈串,所以可組合成動態(tài)的開關(guān)效果。NCV7683和NCV7685是8通道線性電流源,集成功率開關(guān),每個通道的電流驅(qū)動能力分別是100 mA和60 mA。NCV7685有兩種工作模式:標準模式下,通過外圍電路設置芯片的各項參數(shù),無需單片機介入,但只能進行簡單的開關(guān)操作;I2C模式下,單片機通過I2C接口配置芯片的各項參數(shù),可實現(xiàn)多樣的LED燈串動畫效果。
LED恒流調(diào)節(jié)器
這是在簡單車燈應用中的高性價比方案,設計人員可根據(jù)下表的關(guān)鍵參數(shù)為應用匹配最適合的器件。這些LED恒流調(diào)節(jié)器在寬電壓范圍內(nèi)提供恒定的電流,從而實現(xiàn)恒定的亮度。高溫條件下,負溫系數(shù)可保護LED。
表:LED恒流調(diào)節(jié)器選型
總結(jié)
汽車外部照明為進一步提升用戶體驗和安全開辟了道路,品牌等效和造型日益多樣的選擇,及可靠性的提升,都在不斷拓寬汽車外部照明的新境界。安森美針對前照燈、矩陣/像素燈、車后組合燈都提供相應的半導體方案,具備高能效、高集成度、高可靠性,且平臺化設計實現(xiàn)擴展性和靈活性,助力設計人員創(chuàng)新并簡化和加快開發(fā)。安森美的智能電源配以智能感知技術(shù),為提升道路安全鋪平道路。
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