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配合汽车照明设计趋势的LED驱动解决方案
材料来源:安森美半导体           录入时间:2015/8/25 16:40:47

照明是汽车设计关键的差异化因素,在个性化和安全性等方面发挥着越来越重要的作用,而半导体无疑是推动汽车照明创新趋势的关键元件。得益于LED尺寸小、可根据电流改变亮度,从而为工程师提供更多的设计灵活性,以及节能高效等优势,LED车灯有望成为汽车照明的一种潮流。

先进LED用于汽车技术及未来的造型、安全、燃油能效

LED驱动器在LED照明应用中必不可少,汽车工程师可利用它实现节能、提升安全优势及打造独特漂亮造型的设计需求。LED驱动器通过调节一个LED或LED串的功率,提供恒定的光输出,也就是说即使功率可能变化,仍然稳定地供电给LED。工程师需根据不同的要求如串联或并联、高功率或低功率以及成本或功能等,为特定应用选择合适的LED驱动器以尽量提升能效,并为软启动或应急灯等功能提供可调性。

在选用LED驱动器时,从设计复杂度、成本、性能等方面来讲,需根据LED总功率、应用的电子环境温度以及改变LED配置的灵活性,选定并设计合适的拓扑结构。例如,开关驱动器比线性驱动器具能效更高、功耗更低,能承受更高的电子环境温度,可用于亮度要求更高的应用;光的亮度调节可使用基准电压控制和脉宽调制控制等多种方法完成;宽工作电源范围可配置电源和可驱动的LED数量。从集成度方面来讲,需根据每一方案支持的特性(如自动调光、个别的LED控制、颜色改变等)及安全和故障诊断标准来判断其更适用于哪一种应用。

将来,照明驱动器需具备灵活性:使用相同的平台以缩短设计周期及对系统要求变化做出反应,同时使系统能根据每个LED串扩展,以支持将要上市的不同应用,满足汽车整车厂商的系统要求。在当今豪华车中,我们看到使用组合高压气体放电灯(HID)和LED方案的前照灯系统。展望未来,全LED系统将开始获得增长动力。随着汽车朝向更智能化的方向发展,驱动器将融合更多的功能如先进驾驶辅助系统(ADAS)。工程师须考虑增强故障诊断功能、提升系统可靠性。

豪华车照明方案跨越中低档车市

从应用层面来讲,汽车照明分为内部和外部照明。当今汽车内部照明大多采用明亮的白光LED驱动器和RGB红绿蓝可编程驱动器。而外部照明不再仅限于前照灯和尾灯,车身照明(如标识灯和门把手)和外部RGB已经用于豪华车,预期将会渗入中低档汽车。

1、当今汽车内部照明——白光

白光LED主要用于顶灯、阅读灯、货舱灯等对亮度要求相对较高的应用,它有别于标准灯泡,可为驾驶员提供温馨舒适的氛围。汽车整车厂商使用白光LED能提供不同的氛围灯选择,从简单用分立的白光LED驱动器控制开/关到更复杂的调光斜率,以产生独特和差异化的造型及效果,如渐关或渐开来产生戏剧效果。安森美半导体为这类应用提供分立的或恒流稳流硅方案。

2、当今汽车内部照明——RGB

RGB和白光LED相辅相成,其发展由进一步令车辆个性化的动力所推动,用作可编程的内部光源,包括仪表盘、中控台、导航/音频等区域照明和氛围灯等特效应用。安森美半导体可提供线性系统基础芯片(SBC)用于此类应用,SBC接口经由LIN总线,提供驱动RGB LED的所有功能。

安森美半导体还提供全集成的可寻址LIN RGB单芯片方案NCV7430,使电流控制能通过3颗LED,同时提供全色谱和强度。该器件的一个特性是24位真彩色,这模块可通过LIN命令输出1600万种不同颜色,用于车辆防盗等安全特性及创建个性化的内部氛围。该方案比当前市场上由微控制器和LIN-SBC组成的方案节省了电路板空间,而且能使用可选的镇流器控制引脚,以输出更多功率来驱动一个外部低成本BJT晶体管,从而将功耗从IC转移至外部晶体管使热管理更简单。此外,NCV7430单独的LIN节点经由预编程或LIN命令获取地址,使得设计灵活并降低成本。

图1. RGB驱动器用于汽车内部照明

3、当今汽车尾灯

从过去单个的LED到现在的不透明且均匀的灯排,从动画的信号到扫动的闪光信号灯,驱动器作为汽车尾灯演变的重要部分,除了在造型、形象等汽车外观方面不断创新外,还提升安全系数,并可支持启停压降,和自适应环境光照条件,是满足汽车厂商和政府节能要求的关键。针对此类应用,安森美半导体提供线性稳流器和控制器。

图2. 汽车尾灯

4、当今汽车前照灯

LED前照灯普遍应用于日间行车灯(DRL),最常见的两种方案是导光LED和LED串。这些DRL应用不仅向迎面驶来的车辆提供更好的能见度, 汽车厂商也依靠LED和LED驱动器的灵活性来个性化他们的车辆,建立特有的“视觉”品牌。

用于豪华车的先进前照灯已不仅仅局限于DRL、远光灯和近光灯,汽车厂商还可选择LED转向灯、LED雾灯和高速路面聚光灯等设计,以及采用结合HID和LED方案的前照灯系统,乃至将来的全LED灯。在更具个性、更安全及更高能效趋势的推动下,通过平台模块化,从低成本“入门级近光灯”发展至高端全功能“先进照明系统”,为汽车厂商提供多种创新。

图3. 用于豪华车的先进前照灯

从成本上来说,先进的照明系统较标准照明系统贵,但可相应减少功能以迎合中低成本汽车。此外,它还具备可扩展性,可根据需要适当扩展以用于各类汽车。

进一步的系统发展将添加电机控制的能力。安森美半导体提供双通道LED驱动器、步进电机驱动器用于自适应前大灯系统(AFS)。每辆车可集成多达6个安森美半导体双通道LED驱动器和3个安森美半导体步进电机驱动器。这些系统克服了传统前照灯的不足,可自动调平以减少眩光,以及自动旋转点亮传统前照灯的照明盲区。双通道LED驱动器是集成功率LED的系统级芯片,环境温度可高达125摄氏度,适用于中、高总功率。而步进电机驱动器提供双极步进驱动、微步进、停转检测、LIN、I2C和SPI接口,以及环境温度可高达125摄氏度等特性。

特别地,安森美半导体创新的汽车LED前灯照明方案NCV78663,采用功率镇流器和双LED驱动器,提供分段无眩光远光灯,集成智能电子,通过传感器、摄像机和导航控制,令汽车自动适应各种路况,并通过最大化照明区域增强安全性,其最先进的功能是:如果没有即将到来的汽车,车灯会有最大的光输出;但当迎面驶来的汽车靠近,车灯会自动和迎面而来的汽车的特定地点分隔开来,同时打开远光灯模式。汽车越靠近,间隙随着汽车的靠近而扩大。间隙变得更宽,直到那辆汽车驶过,然后回到远光灯模式。该方案支持模块化的设计平台,易于设计且经济高效。

将来的汽车照明方案

1、“扫动”指示灯

前照灯系统将继续以安全性和能见度作为关键发展动力。经测试,如果汽车配有“扫动”指示灯,那么驾驶员对前方方向检测正确率由普通的72%提升至90%,反应时间提高32%。

图4. “扫动”指示灯

此外,基于一些地区法规,LED驱动器必须能提供等同于一个白炽灯的完整亮度的光。

2、像素/矩阵灯

从电机控制迈向使用像素/矩阵前大灯系统是将来汽车照明的一大重点趋势,它采用系统模块化的平台设计,提供超越当今前照灯方案的众多优势,通过高科技及创新设计提升汽车形象,支持50%至80%甚至更多地使用全静态无眩光远光灯,可根据环境和迎面驶来的汽车调节照明系统,为驾驶员提供在所有情况下的更高能见度,运用LED技术,无移动部件,更安全更可靠。此外,由于具多个空白区域,和可调节的每一像素的发光功率,并可快速切换,可扩展更多功能。

图5. 像素/矩阵灯

安森美半导体的NCV78247像素/矩阵控制器,能驱动4个LED串、集成调光控制器、内置过压/欠压、过温、短路/开路检测(包括LED旁路开路)、SPI接口、输出故障、输出段可配置、可提供SPI通信和板载微控制器等(图6)。

图6. NCV78247像素/矩阵控制器

结语

将来的许多汽车照明方案将基于当前的研发和使用经验,并由半导体行业的硅发展及成本降低趋势所推动。市场将持续需要驱动器组合,支持从最简单的分立器件到使用组合技术的方案,为汽车外型设计提供更多可能,并提升行车安全系数和燃油经济性。添加电机控制能力的系统可根据驾驶环境、速度及车辆负载进行调整,以进一步提升安全水平。为获得特定光区域的高能见度,前大灯系统将由电机控制迈向使用像素或矩阵LED。安森美半导体可提供组成LED AFS像素/矩阵系统的所有半导体元件(微控制器除外)如LED专用标准产品(ASSP)、FET、LDO、整流器、逻辑、齐纳、保护等。随着系统越来越标准化,微控制器将可嵌入到一个专用集成电路(ASIC)中,这将支持潜在的安森美半导体单芯片硅方案,帮助工程师简化设计、加快上市时间。


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