應(yīng)用于汽車內(nèi)部及外部照明的LED驅(qū)動器方案概覽

近年來，隨著LED在光效及成本等幾乎各個方面的持續(xù)改進(jìn)，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，從傳統(tǒng)的便攜設(shè)備背光向中大尺寸LCD顯示器/液晶電視背光、汽車及通用照明等領(lǐng)域不斷邁進(jìn)。本文將專門介紹適合于汽車照明應(yīng)用的各種LED驅(qū)動器方案，并探討一些典型應(yīng)用。

LED為汽車照明應(yīng)用提供眾多優(yōu)勢
LED在汽車中的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，但可以簡單歸納為內(nèi)部照明及外部照明(參見圖1)。外部照明有如前照燈、尾部照明等，內(nèi)部照明包括內(nèi)部便利及舒適照明和儀表盤背光等。   

圖1：多種多樣的汽車LED照明應(yīng)用

推動汽車LED照明應(yīng)用的因素很多。以前照燈為例，采用LED作為光源擁有眾多優(yōu)勢：
    利于靈活或新穎的造型設(shè)計——LED物理尺寸很小，能用于開發(fā)極緊湊、極薄的模塊。與鹵素?zé)艉碗瘹鉄粝啾龋啻甃ED模塊需要更小、更簡單的透鏡和光擴散片硬件。且多個LED光源的光更易于導(dǎo)向，大大減輕工程設(shè)計對造型的影響。
    光強度及能效不斷提升——LED光強度處于極快的提升曲線上，呈現(xiàn)出每18至24個月光通量將會翻一番的趨勢。LED光輸出已經(jīng)超過鹵素?zé)?，未來LED實際光效性能還將能氙氣燈相匹敵。
    高可靠性及長壽命——只要為LED前照燈模塊進(jìn)行有效的熱管理以保持較低的結(jié)溫，并保護(hù)其免受開關(guān)導(dǎo)通/關(guān)閉、調(diào)光期間可能出現(xiàn)的電流尖峰和電池脈沖的影響，期望它們在汽車整個壽命周期內(nèi)持續(xù)使用就并非不切實際。
    顯著節(jié)能——與其它方案相比，LED前照燈使用的燃料/能源要少得多。使用高能效智能電源技術(shù)/芯片，而非需多個外部元件的一般IC，可以更節(jié)能。

因此，LED在汽車照明中的應(yīng)用日漸增多，且被眾多汽車制造商當(dāng)作設(shè)計賣點。

應(yīng)用于汽車照明的LED驅(qū)動器方案比較
    LED在汽車照明中的應(yīng)用多種多樣，不同應(yīng)用對LED電流的要求又各不相同，故需要結(jié)合具體應(yīng)用要求，選擇適合的LED驅(qū)動器方案。

LED驅(qū)動方案的一項主要功能是在多種工作條件下穩(wěn)流，而不論輸入條件如何及正向電壓如何變化。驅(qū)動方案必須符合能效、外形因數(shù)、成本及安全性方面的應(yīng)用要求。同時，所選方案必須易用及足夠強固，從而適應(yīng)特定應(yīng)用的嚴(yán)格環(huán)境。

汽車應(yīng)用中的典型LED驅(qū)動器方案包括電阻、線性LED驅(qū)動器、開關(guān)LED驅(qū)動器及創(chuàng)新的照明管理LED驅(qū)動器等。一般而言，根據(jù)應(yīng)用中LED電流大小的不同，在20到200 mA的低電流應(yīng)用中，可以選用分立元件(即電阻)或線性驅(qū)動方案；在200至500 mA的中等電流應(yīng)用中，可以選用線性或開關(guān)驅(qū)動器方案；而在大于500 mA的大電流應(yīng)用中，一般選擇開關(guān)驅(qū)動器方案。

實際上，電阻是最簡單、最低成本的LED限流方案，但是它們并不“穩(wěn)流”，只是在LED正向電壓變化及輸入電源電壓變化并導(dǎo)致電流變化從而引起LED亮度變異時，簡單地限制LED最大電流。雖然這種方案的成本低，但能效也最低，且存在著LED篩選成本及熱失控等問題。

CCR是一種比電阻方案性能更高但成本又低于線性驅(qū)動器或開關(guān)驅(qū)動器的方案，適合于電流小于200 mA的低電流LED照明應(yīng)用。CCR廉價并強固，在寬電壓范圍下提供恒定亮度，在輸入電壓較高時保護(hù)LED免受過驅(qū)動，且在低電池電壓條件下仍提供較高亮度。這種方案能夠減少或消除LED篩選產(chǎn)生的庫存，使方案總成本更低。CCR最大工作電壓達(dá)50 V，能夠承受電池負(fù)載突降。CCR提供SOD123、SOT123及DPAK等不同封裝，能在嚴(yán)格熱環(huán)境下工作(125℃)，負(fù)溫度系數(shù)特性在高環(huán)境溫度條件下保護(hù)器件本身及LED。此外，CCR不產(chǎn)生電磁干擾，易于設(shè)計。

                                            
  圖2：雙端及三端CCR電路圖。

線性穩(wěn)壓器支持多條線路并行配置以擴散熱耗散，提供達(dá)±2%的穩(wěn)流精度，無電磁干擾(EMI)問題，成本中等，但能效也較低。而憑借高能效及靈活等優(yōu)勢，開關(guān)穩(wěn)壓器廣泛使用。這種方案成本更高，技術(shù)更復(fù)雜，但也提供顯著優(yōu)勢，如支持任何類型的輸入電壓與輸出電壓關(guān)系，且根據(jù)輸入/輸出條件，能效能夠高于90%。與線性驅(qū)動器不同，它們對EMI很敏感，給設(shè)計人員帶來需要注意的設(shè)計約束。

值得一提的是，除了這些常見的LED驅(qū)動器方案，安森美半導(dǎo)體推出了高集成LED照明管理集成電路(IC)。這些照明管理集成了多種LED驅(qū)動及控制功能，相當(dāng)于一個完整子系統(tǒng)，能夠承受高達(dá)125℃的環(huán)境溫度，用于汽車前照燈、組合尾燈及最新的高級前照燈系統(tǒng)(AFS)等應(yīng)用，后文將會詳細(xì)論及。

典型汽車應(yīng)用LED驅(qū)動器產(chǎn)品及其應(yīng)用
    1) 適合低電流LED應(yīng)用的CCR
    安森美半導(dǎo)體運用專利自偏置晶體管(SBT)技術(shù)開發(fā)出了NSI45系列CCR(參見圖2)。這系列CCR包含雙端固定輸出和三端可調(diào)節(jié)輸出兩種類型，電流等級涵蓋10至180 mA。其中三端可調(diào)節(jié)輸出CCR包括電流30至80 mA(SOT-223)及60至150 mA(DPAK)等不同選擇，能夠用于滿足特定電流設(shè)置要求。

CCR易于設(shè)計，適合高邊(High-side)及低邊(Low-side)應(yīng)用；既能用單個CCR驅(qū)動1串或多串LED，也能并聯(lián)多個CCR驅(qū)動一串或多串LED(詳見參考資料1)。

                                       
圖3：CCR汽車中央高位停車燈(CHMSL)應(yīng)用電路圖。        

2) 針對背光、內(nèi)部照明控制及尾燈等應(yīng)用的線性LED驅(qū)動器
    在線性驅(qū)動器方案，典型產(chǎn)品包括安森美半導(dǎo)體的NUD4001及NUD4011線性LED驅(qū)動器，兩款器件的額定輸入電壓范圍分別為6至30 V和48至200 V，額定輸出電流分別為高達(dá)500 mA和高達(dá)70 mA，在汽車中的應(yīng)用領(lǐng)域包括尾燈、方向燈、剎車燈及車頂燈等。這兩款器件的設(shè)計均用于在交流-直流應(yīng)用中替代分立方案，設(shè)計人員能夠利用外部電阻針對不同LED陣列設(shè)置驅(qū)動電流。不同的是，NUD4001適合于5 V、12 V或24 V的低壓應(yīng)用，而NUD4011則最高支持200 V電壓。圖4顯示的是NUD4001在汽車停車燈中的應(yīng)用。

圖4：NUD4001在汽車停車燈中的應(yīng)用示例。

而在要求驅(qū)動大電流的高亮度LED汽車照明應(yīng)用中，可以采用安森美半導(dǎo)體的CAT4101高亮度線性LED驅(qū)動器。CAT4101能驅(qū)動一串電流高達(dá)1 A的高亮度LED，且滿載時的壓降僅為極低的0.5 V。這種簡單方案不要求電感，消除開關(guān)噪聲，將元件數(shù)量減至最少，并簡化設(shè)計。

3) 涵蓋降壓、升壓及降壓-升壓等不同配置的LED開關(guān)驅(qū)動器
    驅(qū)動LED的開關(guān)穩(wěn)壓器的能效一般介于50%至90%之間，涉及降壓、升壓及降壓-升壓等不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，講究EMI控制方法，主要用于汽車內(nèi)部照明、停車燈、霧燈、日間行車燈及側(cè)面標(biāo)志燈等應(yīng)用。安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于汽車LED照明的開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)品如表1所示。

其中，典型升壓控制器有如NCV8871。這是是一款帶多功能啟用(Enable)/同步(SYNC)引腳、能以外部時鐘同步的升壓控制器，用于驅(qū)動外部N溝道MOSFET。這器件可在3.5 V至 40 V的寬電池電壓范圍條件下工作，專門用于-40℃至150℃結(jié)溫，在工作溫度條件下提供±2.0%的輸出電壓精度，并提供低關(guān)閉電流(典型值小于10 μA)，幫助降低電能消耗。

在降壓開關(guān)驅(qū)動器方面，包括NCV8842、NCV8843及NCV51411等產(chǎn)品，適合于車身/遠(yuǎn)程信息系統(tǒng)等應(yīng)用。NCV8842/3是帶同步功能的1.5 A、170/340 kHz降壓驅(qū)動器，支持4.5 V至40 V輸入電壓，而輸出電壓可從1.27 V開始編程設(shè)定。同步引腳功能用于改善EMI性能。NCV5141x(如NCV51411及NCV51413)是CS5141x針對汽車應(yīng)用的版本，提供高能效，在9到15 V輸入電壓條件下，以700 mA電流驅(qū)動2顆正向壓降為3.5 V LED的能效基本高于85%。另一款支持4.5至45 V輸入電壓的汽車級同步降壓控制器甚至在寬負(fù)載電流條件下提供高于93%的能效，且在休眠模式下的最大靜態(tài)電流僅為1 μA。

表1：安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于汽車LED照明的開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)品

此外，安森美半導(dǎo)體還提供多款能用于汽車LED照明的多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)驅(qū)動器，包括NCV33063AV、NCV3065及NCV3163等。其中，NCV33063AV和NCV3065均支持最大1.5 A電流，能夠配置為降壓、升壓、SEPIC或降壓-升壓等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適合汽車內(nèi)部照明應(yīng)用。NCV3065亦可用于內(nèi)部照明，針對的是對成本非常敏感的應(yīng)用，如果要求更高電流，還能配置為控制器。NCV3163則是一款最大電流3.4 A的單片開關(guān)穩(wěn)壓器，使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠以最小數(shù)量的外部元件應(yīng)用降壓、升壓或降壓-升壓(電壓反轉(zhuǎn))拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4) 針對前照燈及組合尾燈等應(yīng)用的高集成度照明管理IC
    汽車的前照燈包括不同細(xì)分領(lǐng)域，如日間行車燈(DRL)、近光及遠(yuǎn)光燈、信號燈和霧燈等。前照燈中最早應(yīng)用LED的是日前行車燈。而隨著高亮度LED的成本持續(xù)降低及性能持續(xù)提升，越來越多的新車設(shè)計正更廣泛地將LED用于其它前照燈領(lǐng)域，如近光及遠(yuǎn)光燈、信號燈及霧燈等，甚至利用LED提供光束整形、路面聚光(motorway spot)等新興功能。

一般而言，汽車前照燈要求支持從單個LED到多串LED，電壓可高達(dá)60 V；此外，還要求支持脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光(如用于示廓燈)、高集成度、高能效、LED串低電磁輻射、集成診斷及通信接口等。安森美半導(dǎo)體針對LED汽車前照燈系統(tǒng)開發(fā)了NCV78663電源鎮(zhèn)流器及雙LED驅(qū)動器。NCV78663是先進(jìn)的高可靠性、高能效的系統(tǒng)級芯片(SoC) LED驅(qū)動器，支持達(dá)2 A電流，提供高于90%的總能效，驅(qū)動高達(dá)60 V電壓的多串LED，能以PWM調(diào)光維持色溫及控制平均電流，使設(shè)計人員能夠以一顆高集成度的SoC控制遠(yuǎn)光燈及近光燈、日間行車燈、轉(zhuǎn)向指示燈及霧燈，所需外部元件極少。這器件通過SPI接口與外部微控制器通信，在上電后動態(tài)地控制系統(tǒng)參數(shù)、檢測LED工作狀態(tài)并反饋診斷信息。圖5顯示的是NCV78663在先進(jìn)的汽車前照燈應(yīng)用中的電路圖。

    
圖5：a) 汽車LED前照燈應(yīng)用圖例；  b)基于NCV78663的汽車LED前照燈應(yīng)用電路圖。

對于汽車尾燈應(yīng)用而言，可以根據(jù)應(yīng)用需求的不同，采用CCR這樣的低成本低電流LED驅(qū)動方案，也可以采用提供更高性能、更高能效等級的高集成度等級解決方案，如安森美半導(dǎo)體的高集成度線性電流穩(wěn)流及控制器NCV7680。這器件包含8路線性可編程恒流源，其設(shè)計用于汽車組合尾燈的穩(wěn)流和控制，每通道最高可輸出75 mA的LED驅(qū)動電流。NCV7680由于功能高度集成，使工程師能輕松地實現(xiàn)兩個亮度等級，其中一個用于停車，另一個用于尾部照明。如果需要，也可應(yīng)用可選的PWM控制。設(shè)計人員僅需要一個外部電阻就可以設(shè)定所有通道的輸出電流。工作溫度范圍為−40℃至+150℃。

圖6：a) LED組合尾燈圖例；   b)NCV7680在LED組合尾燈中的應(yīng)用電路圖。

GreenPoint®網(wǎng)上設(shè)計仿真工具加快汽車LED照明設(shè)計
    安森美半導(dǎo)體身為應(yīng)用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供應(yīng)商，針對汽車 LED照明應(yīng)用提供完整的系統(tǒng)方案，包括電源、MOSFET、整流器、保護(hù)、濾波器及熱管理產(chǎn)品等。此外，為了幫助設(shè)計人員加快LED照明設(shè)計，安森美半導(dǎo)體還提供GreenPoint®網(wǎng)上設(shè)計仿真工具，讓設(shè)計人員坐在工作臺前，即可以輕松地通過“選定LED驅(qū)動器”、“確定設(shè)計要求”、“自動產(chǎn)生設(shè)計電路圖”、“仿真及驗證”、“產(chǎn)生物料單及報告”、“下載報告為PDF文件”及“保存文件和分享”等幾個步驟，大幅縮短開發(fā)時間，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。

這網(wǎng)上設(shè)計工具目前已經(jīng)支持多款安森美半導(dǎo)體的高能效LED驅(qū)動器產(chǎn)品的應(yīng)用設(shè)計，其中支持的汽車應(yīng)用 LED驅(qū)動器包括NSI45系列的多款器件，后續(xù)還將支持更多產(chǎn)品。
    
    總結(jié)：
    隨著LED性能不斷提升性能及成本不斷降低，在汽車內(nèi)部及外部照明中的應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬。設(shè)計人員需要針對具體應(yīng)用選擇適合的LED驅(qū)動器方案，如線性恒流穩(wěn)流器、線性穩(wěn)壓器或開關(guān)穩(wěn)壓器等。安森美半導(dǎo)體身為應(yīng)用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供應(yīng)商，提供應(yīng)用于汽車照明、通過AEC Q100認(rèn)證、涵蓋從低電流到大電流的完整LED驅(qū)動器產(chǎn)品線，其中還包括新近推出的系列高集成度、高能效的照明管理集成電路，方便設(shè)計人員根據(jù)具體應(yīng)用要求，選擇適合的汽車LED驅(qū)動器解決方案。