發(fā)光二極管（LED）驅(qū)動(dòng)器電子產(chǎn)品可改進(jìn)汽車前燈樣式

1990年以前，標(biāo)準(zhǔn)的汽車前燈組裝件只包含白熾光源，并且大多是獨(dú)立的，以創(chuàng)建所需的全部功能。無(wú)論這些功能是由密封光束燈創(chuàng)建還是由燈泡、反射器和光學(xué)組裝件創(chuàng)建，它們都以相似的方式運(yùn)行。光模式是靜態(tài)的，且主要由反射器和光學(xué)器件限定。受支持的標(biāo)準(zhǔn)照明模式是遠(yuǎn)光燈、近光燈、轉(zhuǎn)向信號(hào)燈、位置燈和霧燈模式。數(shù)十年來(lái)，這些功能僅提供了在大多數(shù)情況下安全駕車所需的基本配光選項(xiàng)。

20世紀(jì)90年代初，一種全新的高強(qiáng)度放電(HID)源出現(xiàn)了。這種放電源能產(chǎn)生更高效、更明亮的燈光，并支持近光燈和遠(yuǎn)光燈功能。然而，在向HID過(guò)渡以后，曾經(jīng)簡(jiǎn)單的電池連接就不足以控制燈光了。相反，HID源需要高級(jí)電力電子產(chǎn)品，來(lái)把直流電池電壓源轉(zhuǎn)換成能合理調(diào)節(jié)光輸出的諧振交流電源。

這種變化把曾經(jīng)只涉及機(jī)械和光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶入高級(jí)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)領(lǐng)域。在接下來(lái)的20年中，HID系統(tǒng)被工程師進(jìn)一步改進(jìn)成可同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)光燈/近光燈功能的高成本效益的解決方案。。然而，它仍然不具備更多的高級(jí)照明功能，因?yàn)閱我坏墓庠磿?huì)受到固定尺寸的約束。

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2007年，首批基于發(fā)光二極管(LED)的前燈被應(yīng)用在新型汽車中。基于LED的系統(tǒng)因光源極小，所以可賦予設(shè)計(jì)人員更大的靈活性。當(dāng)然，LED的調(diào)節(jié)還需要依靠某種電源的轉(zhuǎn)換。具體而言，要把電池電壓源轉(zhuǎn)換成適用于串聯(lián)或串聯(lián)/并聯(lián)型LED陣列的恒定電流驅(qū)動(dòng)源，LED驅(qū)動(dòng)器是不可或缺的。

與HID電子產(chǎn)品相似，LED驅(qū)動(dòng)器也會(huì)增加汽車前燈系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。盡管如此，LED驅(qū)動(dòng)器固有尺寸減小了，強(qiáng)度和顏色的可控性顯著提高了，并且效率也有所提升。這給汽車制造商帶來(lái)的好處是：系統(tǒng)被改進(jìn)得更適合銷售。另外，設(shè)計(jì)人員還可以利用設(shè)計(jì)美觀和新穎的外形，該外形還可為汽車制造商建立有效的品牌認(rèn)知度。

縱觀過(guò)去的8年，LED汽車前燈已慢慢從日間行車燈(DRL)或霧燈等單個(gè)LED功能選項(xiàng)，演變成一個(gè)集多功能于一身的完整LED前照燈系統(tǒng)。今天，大多數(shù)中高檔汽車均有一個(gè)完全基于LED的汽車前燈選項(xiàng)?，F(xiàn)在，讓我們深入地了解一下LED汽車前燈系統(tǒng)。

LED汽車前燈架構(gòu)

由于相關(guān)組件固有的功率級(jí)，LED汽車前燈組件通常被設(shè)計(jì)成一個(gè)單級(jí)開關(guān)模式電源。一般而言，為了在負(fù)載突降和冷車啟動(dòng)情況下提供調(diào)節(jié)功能，降壓-升壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是首選。在負(fù)載突降期間，電池電壓可能會(huì)上升到60V(有時(shí)甚至更高);而在冷車啟動(dòng)期間，電池電壓則可能下降到4.5V甚至更低!在任一極端的輸入條件下，降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器均可對(duì)流至LED串(總正向電壓高于或低于電池電壓)的輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.這個(gè)典型的汽車前燈系統(tǒng)實(shí)施了一種單級(jí)功率架構(gòu)，其中每個(gè)轉(zhuǎn)換器均可在該系統(tǒng)里調(diào)節(jié)一種不同的功能。

一個(gè)完整的前照明系統(tǒng)常由多個(gè)轉(zhuǎn)換器組成，每個(gè)轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)該系統(tǒng)的不同部分(圖1)。一般用獨(dú)立的LED串支持每種汽車前燈功能。通常只有 DRL和位置燈經(jīng)過(guò)多路復(fù)用成為一個(gè)串。在這種情況下，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制(PWM)功能以大約10%的占空比對(duì)DRL串進(jìn)行調(diào)光來(lái)創(chuàng)建位置燈。

大多數(shù)現(xiàn)有的LED汽車前燈都具備兩個(gè)基本的電子組件：汽車前燈內(nèi)的LED陣列連同相關(guān)的光學(xué)和機(jī)械組件，以及置于耐候性外殼內(nèi)、通常從外部連接的照明控制單元(LCU)。LCU印刷電路板(PCB)包含電流調(diào)節(jié)器等電源轉(zhuǎn)換器以及可與系統(tǒng)中其它電子控制單元(ECU)進(jìn)行通信的微處理器和收發(fā)器。位于駕駛艙附近的車身控制單元(BCU)可將命令發(fā)送到LCU，以管理汽車中的所有車身功能。

LED陣列本身位于金屬芯PCB(被連接至某個(gè)類型的散熱系統(tǒng))上。該電路板通常包含可對(duì)所需系統(tǒng)輸出電流進(jìn)行編程的LED、溫度補(bǔ)償和電流分檔信息。汽車前燈將含有多個(gè)LED陣列PCB，包括同時(shí)支持多種(如果不是全部)功能的獨(dú)立電路板。

自適應(yīng)前照明系統(tǒng)

各種汽車已在前燈(通常被稱為自適應(yīng)前照明系統(tǒng) (AFS))中具有更復(fù)雜的功能。當(dāng)前基于HID的AFS系統(tǒng)具有自動(dòng)校平電機(jī)，該電機(jī)可校準(zhǔn)汽車位置相對(duì)于地形的垂直變化。這就能確保燈在垂直軸上被精確地對(duì)準(zhǔn)，以免違反有關(guān)遠(yuǎn)光燈和近光燈模式的規(guī)定。

此外，某些AFS還可改變HID源的水平位置(相對(duì)于方向盤位置)、速度，有時(shí)還能改變攝像頭輸入。該功能可在駕駛員需要察看路況或是在潛在險(xiǎn)情時(shí)，最大限度地增加光的輸出。不過(guò)，步進(jìn)電機(jī)需要利用HID源來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的功能。步進(jìn)電機(jī)會(huì)限制一次對(duì)多個(gè)條件作出反應(yīng)的能力，可能會(huì)在汽車的整個(gè)生命周期中產(chǎn)生可靠性問(wèn)題。

相同的AFS功能可在LED汽車前燈中輕而易舉地實(shí)現(xiàn)，增加的優(yōu)勢(shì)是更強(qiáng)、更綜合的可控性以及更高的可靠性。為獲得高動(dòng)態(tài)功能，可利用前視攝像頭(通常出現(xiàn)在后視鏡組裝件內(nèi))來(lái)控制用于整個(gè)AFS的動(dòng)態(tài)光輸出。這對(duì)于無(wú)眩光遠(yuǎn)光燈系統(tǒng)(該系統(tǒng)允許駕駛員在任何時(shí)間同時(shí)使用遠(yuǎn)光燈和近光燈)特別有用。在這樣的一個(gè)系統(tǒng)中，該攝像頭可在檢測(cè)到迎面駛來(lái)的汽車時(shí)，控制前燈系統(tǒng)關(guān)閉相關(guān)區(qū)域的燈。事實(shí)上，該攝像頭還有更先進(jìn)的功能，如行人檢測(cè)功能、車道照明功能、避免碰撞功能以及其它安全關(guān)鍵功能。

自適應(yīng)汽車前燈架構(gòu)

自適應(yīng)汽車前燈必需的增強(qiáng)型動(dòng)態(tài)功能要求一種不同類型的電力電子架構(gòu)?？紤]到在輸入端出現(xiàn)負(fù)載突降和冷車啟動(dòng)的情況下需要支持快速變化的輸出條件，兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常更受青睞。最常見的解決方案是采用一個(gè)升壓型穩(wěn)壓器將電池輸入轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的高電壓直流軌，然后再用獨(dú)立的降壓型轉(zhuǎn)換器來(lái)分別驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的每個(gè)串聯(lián)型LED串。

2.自適應(yīng)汽車前燈系統(tǒng)可采用兩級(jí)功率架構(gòu) —— 一個(gè)級(jí)能平息電池的輸入瞬變事件，另一個(gè)級(jí)則可確保對(duì)輸出的一致性調(diào)節(jié)。

該系統(tǒng)更能在寬范圍的條件下進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，原理是第一個(gè)級(jí)可平息汽車電池的輸入瞬變事件，而第二個(gè)級(jí)則可保證在所有時(shí)間對(duì)輸出的調(diào)節(jié)都是一致的(圖2)。此外，與單級(jí)降壓-升壓型系統(tǒng)相比，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還能更有效地減少傳導(dǎo)和輻射的電磁干擾(EMI)，因?yàn)檩斎牒洼敵鲭娏鞫际沁B續(xù)波形。對(duì)于最高動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)(如無(wú)眩光遠(yuǎn)光燈)，當(dāng)進(jìn)行PWM調(diào)光時(shí)通常需要降壓輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的調(diào)光分辨率和對(duì)比度。[!--empirenews.page--]

LED矩陣管理器

雖然自適應(yīng)汽車前燈架構(gòu)看起來(lái)很有前途，但您如何有效地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)功能呢?如果我們把該系統(tǒng)作為可控光模式的系統(tǒng)看待，那么我們可把它解析成像素級(jí)控制圖。當(dāng)然，像素的定義可能有所不同，但以理想的方式分別控制每一個(gè)LED可帶來(lái)最大的設(shè)計(jì)靈活性。對(duì)于這個(gè)兩級(jí)升壓-降壓型架構(gòu)，TPS92661-Q1 LED矩陣管理器可提供這些功能。

3.這種自適應(yīng)汽車前燈架構(gòu)采用德州儀器(TI)的TPS92661-Q1 LED矩陣管理器，該管理器能在LED總數(shù)多達(dá)96個(gè)的設(shè)計(jì)中對(duì)每個(gè)LED進(jìn)行獨(dú)立的PWM控制。

在包含多達(dá)96個(gè)LED的系統(tǒng)中使用TPS92661-Q1可以實(shí)現(xiàn)像素級(jí)控制(圖3)。該器件可為每一個(gè)LED提供獨(dú)立的PWM控制。此功能(假定調(diào)光比為1000:1，且調(diào)光頻率是可編程的)可實(shí)現(xiàn)幾乎任何級(jí)別的動(dòng)態(tài)控制。無(wú)眩光遠(yuǎn)光燈、動(dòng)態(tài)折射光以及任何其它類型的AFS功能都更容易添加到任何兩級(jí)LCU設(shè)計(jì)。該矩陣管理器可直接安裝到LED陣列所在的金屬芯PCB上，從而有助于優(yōu)化熱連接和系統(tǒng)性能。

該器件具有12個(gè)串聯(lián)開關(guān)，這些開關(guān)的設(shè)計(jì)目的是以給定的占空比和頻率對(duì)LED周圍的電流進(jìn)行分流。借助LCU上的微控制器實(shí)現(xiàn)的串行通信可為將被接收的高速調(diào)光命令(并且?guī)缀踉谒查g按其行事)提供路徑。

另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)與固有的故障覆蓋率相關(guān)。和典型的LED串驅(qū)動(dòng)器不同的是，TPS92661-Q1可分別接觸到每個(gè)LED，使其能檢測(cè)并防止任何故障。這添加了一個(gè)額外的覆蓋層，有助于延長(zhǎng)汽車前燈的壽命。如果單個(gè)LED在開路或短路情況下發(fā)生故障，那么該LED串就能得到保護(hù)，且周圍的LED輸出能被增加，以維持所需的光級(jí)。

總之，LED矩陣管理器為汽車制造商提供了一個(gè)前所未有的全新照明系統(tǒng)平臺(tái)。無(wú)論是完全動(dòng)態(tài)的AFS系統(tǒng)，還是復(fù)雜的迎賓燈序列，亦或是程式化的連續(xù)轉(zhuǎn)向指示燈，通過(guò)靈活、可擴(kuò)展的像素級(jí)控制，就可以實(shí)現(xiàn)任何功能，。