智能汽車照明正不斷演進(jìn)，轉(zhuǎn)向基于LED的方案，提高道路安全性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能3到5倍，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，且創(chuàng)新的車燈造型設(shè)計(jì)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(shì)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(jí)應(yīng)用和安森美相關(guān)設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體方案，包括矩陣/像素?zé)簟⒃煨投ㄖ萍败嚶?lián)萬(wàn)物 (V2X)。
前照燈及SPI接口LED驅(qū)動(dòng)器模塊
前照燈包括近光燈、遠(yuǎn)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(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，因此，一般會(huì)把前照燈的LED驅(qū)動(dòng)電路單獨(dú)做成一個(gè)模塊，有助于加快研發(fā)周期，平臺(tái)化項(xiàng)目管理，可靈活用于多種車輛結(jié)構(gòu)和燈組造型。高級(jí)LED驅(qū)動(dòng)模塊可最優(yōu)化前大燈性能，能為單個(gè)LED燈珠或多個(gè)LED燈串供電，可編程，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(luò)(IVN)。
安森美的LED驅(qū)動(dòng)模塊具備更高的集成度和可靠性，平臺(tái)化設(shè)計(jì)提供擴(kuò)展性和靈活性，適用于各種前照燈設(shè)計(jì)，智能的功能分區(qū)有助于降低成本，還實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的前向照明效果，減少碳排放，有助于電動(dòng)車增加續(xù)航。如圖1是一個(gè)前照燈系統(tǒng)中LED驅(qū)動(dòng)電路的框圖，這6通道LED模塊可驅(qū)動(dòng)多組LED燈串，對(duì)應(yīng)遠(yuǎn)光燈、近光燈、柱形燈、角燈、轉(zhuǎn)向燈等，含LED驅(qū)動(dòng)芯片、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、各種傳感器接口、電源及電源管理芯片、接口保護(hù)芯片、車聯(lián)網(wǎng)芯片SBC和單片機(jī)等，是個(gè)可自主工作的小系統(tǒng)。
圖1：可驅(qū)動(dòng)多組LED串的前照燈模塊
安森美的單通道LED驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)化了外圍器件，優(yōu)化了電路的設(shè)計(jì)，可使設(shè)計(jì)人員快速完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)，非常適用于設(shè)計(jì)單一功能的LED車燈。
安森美已開發(fā)了4代SPI-LED驅(qū)動(dòng)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(dá)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(dòng)電流能力可達(dá)3 A，也是目前市面上同類型產(chǎn)品中電流驅(qū)動(dòng)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(dòng)產(chǎn)品選型圖
如果采用兩顆NCV78763 ，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)不同的LED燈串，將兩個(gè)Boost并聯(lián)，可輸出更大功率，但這只是一種簡(jiǎn)單的功率加成，對(duì)于驅(qū)動(dòng)更大功率的LED燈組，推薦采用多相交替工作的Boost芯片。在實(shí)際應(yīng)用中，一顆NCV78702/NCV78703可配合多顆NCV78723，可驅(qū)動(dòng)4到12個(gè)不同功率的LED燈串，全面覆蓋遠(yuǎn)光、近光、柱形、轉(zhuǎn)向、角燈、霧燈等功能。
在此基礎(chǔ)上，若再加上采用同步整流Buck技術(shù)的NCV78825，可驅(qū)動(dòng)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(shì)
Boost作為穩(wěn)定的電壓源，可保障多顆LED燈串所累加起來(lái)的壓降需求。Buck作為穩(wěn)定的電流源，直接驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光，由于電流源不受負(fù)載電壓瞬變的影響，可實(shí)現(xiàn)快速的開關(guān)切換，在自適應(yīng)遠(yuǎn)光燈(ADB)矩陣/像素?zé)艚M中，有非常出色的表現(xiàn)。這種架構(gòu)還有利于平臺(tái)化的設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)安全性。
用于矩陣/像素前照燈的像素控制器
矩陣/像素?zé)艚M是一種汽車先進(jìn)前照明系統(tǒng)，可增強(qiáng)前向的照明視覺(jué)，不僅服務(wù)于駕駛員，也適用于周圍的交通環(huán)境如防眩光、隨動(dòng)轉(zhuǎn)向、照亮障礙物、行人規(guī)避等。光束中的單個(gè)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(gè)像素都有一個(gè)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(shè)計(jì)可適配任何架構(gòu)。
高級(jí)矩陣/像素?zé)艚M在多種駕駛場(chǎng)景中使前大燈功能最優(yōu)化，包括照射更長(zhǎng)距離，轉(zhuǎn)彎時(shí)光束可切換，同時(shí)更清晰地照亮道路中的行人和障礙物，盡量減少對(duì)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(yīng)用框圖的一個(gè)例子，由4個(gè)LED燈串組成。
圖3：像素/矩陣燈組應(yīng)用框圖
在像素?zé)艨刂菩酒校闪?2個(gè)旁路開關(guān)，每個(gè)旁路開關(guān)都可獨(dú)立控制，我們將每3個(gè)旁路開關(guān)設(shè)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(yuǎn)光、近光、轉(zhuǎn)向、日行、格柵、造型燈等。因?yàn)椴煌腖ED燈板模塊的驅(qū)動(dòng)電流可能是不同的，這可擴(kuò)展像素控制芯片的應(yīng)用場(chǎng)景，不僅僅局限于由遠(yuǎn)近光組成的矩陣/像素?zé)魬?yīng)用，還可實(shí)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(dòng)更大功率的LED燈珠。
LED燈組 – 串聯(lián)型驅(qū)動(dòng) vs. 并聯(lián)型驅(qū)動(dòng)
在廣泛的車燈中，LED燈組有兩種驅(qū)動(dòng)：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(dāng)LED燈珠的額定工作電流大于300 mA時(shí)，一般選擇串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是壓降大。安森美的LED驅(qū)動(dòng)芯片擁有最高可升壓至60 V 的Boost控制器，Buck芯片則負(fù)責(zé)控制整個(gè)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(dòng)是這種串聯(lián)型LED燈串的理想方案，同時(shí)安森美的像素?zé)艨刂菩酒琋CV78247和NCV78343也完美地匹配這種串聯(lián)型的LED燈組。NCV78247集成了12個(gè)矩陣開關(guān)，每個(gè)開關(guān)的過(guò)電流能力是1 A，含SPI接口。NCV78343也集成了12個(gè)矩陣開關(guān)，每個(gè)開關(guān)的過(guò)電流能力提升到1.4 A，含UART接口，不但可用于由遠(yuǎn)近光組成的矩陣燈組，也適用于具有動(dòng)畫效果的轉(zhuǎn)向燈、日行燈、格柵燈、造型燈等場(chǎng)景。
當(dāng)LED燈珠額定工作電流小于100 mA時(shí)，一般選擇并聯(lián)型驅(qū)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)的LED燈串總的額定工作電流將會(huì)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(gè)Buck 轉(zhuǎn)換器來(lái)穩(wěn)定總輸入電壓，然后采用多路線性恒流源來(lái)負(fù)責(zé)LED的穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)電流。安森美提供相應(yīng)的NCV7685。
圖4：LED燈組 – 串聯(lián)型驅(qū)動(dòng)vs.并聯(lián)型驅(qū)動(dòng)
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(dòng)器
這類燈屬于信號(hào)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(shí)車身上的各種造型也可作為汽車身份的一種標(biāo)識(shí)，工作電流一般小于100 mA。車后組合燈有這些高階功能：增強(qiáng)型停車燈、尾燈、轉(zhuǎn)向燈是動(dòng)態(tài)的分段式燈光信號(hào)，創(chuàng)新的車燈造型可實(shí)現(xiàn)以光束打造品牌、迎賓、動(dòng)畫等效果，可驅(qū)動(dòng)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(dòng)器，如圖6所示，單通道預(yù)驅(qū)動(dòng)芯片有NCV7691/92，多通道預(yù)驅(qū)動(dòng)芯片有NCV7693，多通道直接驅(qū)動(dòng)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(dòng)器
NCV7692和NCV7693是恒流控制器，通過(guò)PWM控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)外置的NPN三極管，提供穩(wěn)定的線性電流。因?yàn)镹CV7693可控制3路LED燈串，所以可組合成動(dòng)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(gè)通道的電流驅(qū)動(dòng)能力分別是100 mA和60 mA。NCV7685有兩種工作模式：標(biāo)準(zhǔn)模式下，通過(guò)外圍電路設(shè)置芯片的各項(xiàng)參數(shù)，無(wú)需單片機(jī)介入，但只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的開關(guān)操作；I2C模式下，單片機(jī)通過(guò)I2C接口配置芯片的各項(xiàng)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)多樣的LED燈串動(dòng)畫效果。
LED恒流調(diào)節(jié)器
這是在簡(jiǎn)單車燈應(yīng)用中的高性價(jià)比方案，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)下表的關(guān)鍵參數(shù)為應(yīng)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(shí)現(xiàn)恒定的亮度。高溫條件下，負(fù)溫系數(shù)可保護(hù)LED。
表：LED恒流調(diào)節(jié)器選型
總結(jié)
汽車外部照明為進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)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(duì)前照燈、矩陣/像素?zé)簟④嚭蠼M合燈都提供相應(yīng)的半導(dǎo)體方案，具備高能效、高集成度、高可靠性，且平臺(tái)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展性和靈活性，助力設(shè)計(jì)人員創(chuàng)新并簡(jiǎn)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。
