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汽车照明典型应用及LED照明驱动方案合集

2015-01-04 10:11:58

[导读] 不同汽车照明应用对LED电流的要求各不相同,故需结合具体应用要求,选择适合的LED驱动器方案。

近年来,凭借光效增高、能耗低、可靠性高、寿命长、尺寸小及环保等众多优势,LED在汽车内部及外部照明中的应用日渐增多,已经从最初不那么紧要的汽车照明应用,如座舱内照明、停车灯及仪表板背光,跨越到了前照灯及组合尾灯等更宽广应用。特别是由于尺寸小,LED能够配合丰富的形状和线条变化, 有助提升车灯辨识度,被指定用于众多中高档车的前照灯系统,配合漂亮的外观造型设计。图1所示的是如今典型的汽车LED照明应用。

 

 

图1:典型汽车LED照明应用

汽车LED照明——不仅是漂亮,更助提升汽车主动安全性

LED照明给汽车带来的直观好处,并不限于漂亮造型。根据美国全国公路交通安全管理局(NHTSA)和欧洲委员会(EC)统计,虽然只有25%的驾驶是 在夜间和光线不足期间,但却有40%的死亡和重伤事故发生在这段时间。故改善汽车照明,特别是夜间和光线不足条件下的照明,有助提升汽车主动安全性。实际 上,为了保护驾驶员/车上人员/路边行人的安全,业界长期致力于开发各种汽车照明方案,如用于改善夜间转弯时照明的自适应前照灯(AFS)方案,及用于改 善日间行车安全的日间行车灯(DRL)方案。与传统上在汽车照明中广泛应用的白炽灯和高强度气体放电灯(HID)相比,LED用于汽车 照明有着无可比拟的优点。如LED响应时间短,用于刹车灯可以增加后车的刹车距离,用于转向灯则有更好警示效果。LED的亮度高,但又不像HID那样刺 眼,有助降低对向行驶汽车驾驶员眩目的风险。LED灯能耗比白炽灯或HID低很多,有助降低燃油消耗,节省支出。

典型汽车照明应用LED驱动器方案

不同汽车照明应用对LED电流的要求各不相同,故需结合具体应用要求,选择适合的LED驱动器方案。典型LED驱动方案包括电阻、线性恒流稳流器、线性稳压器及开关稳压器等。

其中,电阻是最简单、最低成本的LED限流方案,但能效也最低,且存在LED筛选成本及热失控等问题。恒流稳流器(CCR)性能高于电阻方案,但成本低 于线性或开关稳压器方案,适合低电流LED照明应用。线性稳压器支持多条线路并行配置以帮助散热,提供达±2%的稳流精度,无电磁干扰(EMI)问题,成 本中等,但能效也较低。开关稳压器广泛使用。这种方案成本更高,技术更复杂,但支持任何类型的输入电压与输出电压关系,且根据输入/输出条件,能效能够高 于90%,但存在EMI问题。

 

 

图2:典型汽车照明应用及LED驱动器方案

除了这些方案,安森美半导体还推出高集成LED照明管理集成电路(LMIC)。这些LMIC集成了多种LED驱动及控制功能,相当于完整子系统,能够承受高达125℃的环境温度,用于汽车前照灯、组合尾灯及最新的AFS等应用。

自适应前照灯系统(AFS)的应用优势及工作原理

传统汽车前照灯的灯光跟车身方向始终一致,在汽车转弯时无法有效照明弯道内侧的盲区,如果弯道内侧恰好存在人或物体,而车速又未恰当降低,则会带来安全隐患, 如图1所示。相比较而言,AFS功能可以提供旋转(swiveling)调节效果,能够根据方向盘的角度转动,把有效的光束投射到驾驶者需要看清的前方路 面上,帮助降低安全隐患。

 

 

 

 

图3:AFS功能的旋转调节(左图)及水平调节(右图)照明效果。

除了能够进行动态旋转调节,AFS功能还能提供动态水平高度调节。此功能根据负载轴传感器的信号来调节前照灯的水平高度,可以适应不同的负载及不同的斜 坡环境。如图1右侧中,上图是AFS功能在正常水平条件下的灯光投身效果,中图是在汽车启动或上坡时路面颠簸条件下灯光上扬效果,下图是在刹车或下坡条件 下的灯光水平下沉照明效果。可见AFS可根据车身水平倾斜情况动态调节灯光高度,改善照明效果,增强安全性。AFS工作原理结构图分别如图2和图3所示。

 

 

图4:AFS的工作原理结构图。

 

 

图5:AFS的工作原理结构图

全LED前照灯应用及高集成度驱动方案

2008年,奥迪R8全球第一次采用全LED前照灯。这全LED前照灯中包含近光灯、远光灯、转向灯及日间行车灯等模块,其中各含不同数量LED。根据 研究及咨询服务公司SNE Research的数据,2013年全球汽车市场LED前照灯的渗透率不足5%,但预计到2020年这一比例将超过50%,可见增长前景十分可观。

但全LED前照灯对驱动方案提出更高要求,要求高能效集成驱动器,支持从单个LED到多串LED等不同配置(电压可高达60 V),还要求脉宽调制(PWM)调光,如用于示廓灯。全LED前照灯还要求LED串低EMC辐射,且对散热、诊断及通信接口等多方面提出了要求。

 

 

图1:安森美半导体单芯片智能前照灯LED驱动器NCV78663应用电路图。

安森美半导体配合全LED前照灯驱动需求,推出了NCV78663单芯片高能效智能电源镇流器及双LED驱动器系统级芯片(SoC),用于先进的LED 前照灯系统。NCV78663采用降压-升压拓扑结构,能够提供高于90%的总能效,是一款高集成度方案,使设计人员能够以单颗SoC控制远光灯及近光 灯、日间行车灯、转向指示灯及雾灯。NCV78663极适合于驱动大电流LED(电流可达2 A),支持PWM调光以维持LED色温及平均电流受控。NCV78663通过两个内置独立降压开关通道,以极少数量的外部元件,提供驱动电压达60 V的两串LED的完整驱动方案。每个通道可以根据应用要求来通过SPI接口和/或OTP设置来定制输出电流和电压。这器件在片上提供汽车前照灯诊断功能, 还集成了升压控制器,为设计人员提供外部元件数量有限的独特输入电流滤波器。NCV78663既能独立使用,也可以与微控制器结合使用,灵活性极高。这方 案源自电池的EMC较低,辐射至LED串的EMC也较低。

安森美半导体的NCV78663全LED前照灯驱动器已经获得奔驰E系列的采用,每辆车在其先进前照灯系统中使用多达6颗NCV78663,还使用多达3颗的安森美半导体NCV70522步进电机驱动器。

安森美半导体最新矩阵式动态智能全LED前照灯方案

近年来,市场上出现了矩阵式动态智能全LED前照灯,如奔驰新一代S级汽车中配备的智能型LED前照灯。此前照灯系统内包含56颗LED,每个LED能够分别点亮、熄灭或是调整亮度。此灯的独特功能如下:

· 防对向车辆炫目:LED根据前雷达和立体摄像机的数据进行点亮、熄灭或者是调整亮度动作,实现自动调整照射范围,保证自己视线的同时,避免造成对方车辆炫目。

· 绕开前方车辆轮廓:遇到前方同方向行驶车辆时,可绕开前车轮廓,同时完全照亮前车左侧和右侧区域。因此夜间行车时可一直开启远光灯,大幅提升行车安全性。

· 遇行人快速闪烁:智能头灯可以识别出前方行人,用大灯自动快速闪烁,以提醒行人避开危险,降低夜间意外的可能。

 

 

图2:动态智能全LED前照灯之独特功能示意。

这样的矩阵式动态智能全LED前照灯可以采用串联或并联驱动结构。采用并联结构时,各颗LED在电气特性方面的差异对照明系统的性能有显著影响,造成能 耗增加及散热问题。串联驱动结构中,LED驱动器提供恒流源,短路开关可以关闭单个LED,从而能够根据需要来改变光束。如果在串联驱动电路中增加伴侣芯 片(像素控制器),透过系统划分,这样就有可能避免并联拓扑结构所固有的能耗及热管理问题。

 

 

图3a:安森美半导体矩阵式汽车LED前照灯方案示意图。

 

 

图3b:安森美半导体矩阵式汽车LED前照灯方案示意图(续)。

安森美半导体的NCV78763降压-升压LED驱动IC在这矩阵式动态智能全LED前照灯中充当电流源,它与集成型像素控制器/伴侣芯片相辅相成。这种模块化方法减少了元件数量,并简化应用流程,因而加速产品上市。

总结:

本文介绍LED在汽车照明中的各种应用,分析LED的应用优势,特别是如今越来越受到重视的帮助提升汽车主动安全性能方面的优势,概览典型汽车照明应用的LED驱动器方案,重点介绍配合最新全LED汽车前照灯要求的安森美半导体NCV78663高集成度LED驱动器方案,特别是它在最新矩阵式智能动态 LED前照灯系统中的应用。

尾灯方案

现在汽车组合尾灯(RCL)越来越多地采用LED灯体组,不仅外形美观、光效高,更有助于后车清晰地看到前车的行驶状态。安森美半导体的NCV7680 是用于汽车LED组合尾灯的线性稳流器及控制器,具有驱动LED串恒流输出、LED串开路诊断(带开漏极输出)、消除EMI顾虑的歪曲率控制功能、片上1 kHz尾沿PWM调光、过压及过温时降低输出功率等特性。

汽车电池系统电压波动范围大,在低电压条件下提供恒定LED光输出是关键特 性。NCV7680包含8个线性可编程恒流源。采用NCV7680的系统可支持两个亮度等级,一个用于刹车灯,一个用于尾灯;也可以采用可选的PWM控制 (首选的LED调光方法)。PWM发生器的固定频率可提供无闪烁的照明。可选的外部镇流器FET允许在要求大电流的设计中分配功率。

 

 

图5:有外部FET镇流器晶体管的应用图

为配合常见的LED串组合尾灯配置,NCV7680提供8路匹配输出,用于单独驱动各串,而电流由单颗电阻设定。单独驱动各可串确保不同串之间的电流分 配均衡。NCV7680可以单独使用,也可以与其它一些支持电路一起组成更复杂系统。该器件适用于组合尾灯、日间行车灯(DRL)、雾灯、中央高位刹车灯 (CHMSL)阵列、转向信号灯及其他外部调制应用、液晶显示器(LCD)背光、照明模块等。

汽车内部及外部照明方案

1)内部RGB LED照明方案

本地互连网络(LIN)总线是一种用于当今汽车网络架构的低成本串行通信协议。NCV7430 LIN RGB LED驱动器结合了LIN收发器与RGB LED驱动器及存储器,适用于汽车内部照明。这款单芯片RGB驱动器可监视汽车内部照明中的专用多色彩LED应用。

NCV7430包含 LIN接口(从器件),用于LED色彩及光强度参数设定。该器件通过LIN总线接收指令,随后独立驱动LED。NCV7430在 LIN总线上用作从器件,而主器件可以通过总线读取特定状态信息(参数值及错误标志)。NCV7430的LIN地址可通过器件内部存储器编程固化。

 

 

图6:汽车内部照明方案

NCV7430的特性还包括保护及诊断过流检测(对地及VBB短路检测、LED开路检测、高温警示及关闭和检测到错误时重试模式);省电(休眠模式供电电流20 mA、兼容14 V汽车系统);以及EMI兼容性(LIN总线集成斜坡控制、LED调制模式降低EMC)。

2)外部及内部照明恒流稳流器(CCR)方案

双端线性恒流稳流器(CCR)是简单、经济及强固的器件,为成本敏感的LED应用提供有效的稳流方案,适用于汽车外部照明,如中央高位刹车灯 (CHMSL),以及内部照明,如座舱灯、化妆镜灯、手套箱。该器件不要求外部元件,可用作高边或低边稳流器,在宽输入电压范围下对输出电流进行稳流,其 设计带有负温度系数特性,用于保护LED在极端电压及工作条件下免受热失控影响。

型号为NSI45xxx、NSI50xxx、 NSIC20xx、NSI45xxxJ和NSI50150AD的器件的稳流电流可在宽电压范围内提供恒定亮度;负温度系数在高环境温度条件下可保护 LED;提供多种最大电压版本(45 V、50 V及120 V),可承受电池电压突降。

 

 

图7:汽车外部及内部照明的恒流稳流器

除以上方案,安森美半导体还提供其它LED驱动方案。紧凑型350 mA降压LED驱动器CAV4201和CAT4201采用专利的平均电流稳流架构,可用24 V电源驱动串联的多达7颗LED,处理达40 V的瞬态电压,能效高于94%;还具有限流及过热保护、LED开路保护功能。其汽车版本CAV4201通过了AEC-Q100认证。另一款用于高亮度 LED的多拓扑恒流开关稳压器NCV3065,驱动电流达1.5 A,采用外部开关提升能效,支持PWM及模拟调光,可承受达40 V瞬态电压。

总结

安森美半导体运用低压及高压技术及电源管理方案方面的专知和技术,以及先进 汽车工艺技术为汽车照明应用提供各种先进解决方案。所有这些集成电路均符合汽车可靠性和温度等规范及环保要求,同时能够满足人们对车内照明控制、前照灯、 后组合灯、雾灯、示廓灯,尤其是新光源等方面越来越高的要求,在为驾驶者带来舒适性和乐趣,丰富消费者体验的同时,也满足了环保和节能的要求。

[整理编辑:CK365测控网]
标签:  LED照明[7]
 
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