ROHM的汽車照明解決方案

1. 前言

汽車技術(shù)正在經(jīng)歷重大變革。比如，電子元器件成就了自動(dòng)駕駛技術(shù)所需的安全功能和感應(yīng)功能，這是眾所周知的事實(shí)。

以前照燈和尾燈為代表的汽車外燈，也由傳統(tǒng)的燈泡型外燈發(fā)展為L(zhǎng)ED(Light Emitting Diode，發(fā)光二極管)燈，光源技術(shù)正在取得長(zhǎng)足進(jìn)展。近年來，不僅讓LED發(fā)揮照明的功用，通過控制LED燈光來提高安全性的產(chǎn)品也在日益普及。此外，兩輪機(jī)動(dòng)車的技術(shù)和產(chǎn)品更新也是日新月異，并且與汽車一樣對(duì)品質(zhì)的要求非常高。

在這種背景下，ROHM正在開發(fā)車載領(lǐng)域用的小型高可靠性LED以及控制LED燈亮必不可少的LED驅(qū)動(dòng)器IC，并提供適用于汽車照明的解決方案。在本文中，將介紹ROHM擁有的相關(guān)特色技術(shù)和產(chǎn)品。

2. LED驅(qū)動(dòng)器IC的市場(chǎng)需求

2-1. 市場(chǎng)對(duì)LED燈的需求

外燈由燈泡型發(fā)展為L(zhǎng)ED燈，使得光源可以變得更小、更薄，越來越多的制造商致力于開發(fā)具有出色設(shè)計(jì)靈活性的LED燈。

要想提高LED燈的設(shè)計(jì)靈活性，就需要提高LED的輸出功率，降低驅(qū)動(dòng)LED的控制電路的功耗并實(shí)現(xiàn)小型化。另外，延長(zhǎng)使用壽命也非常必要。燈泡型外燈是以“達(dá)到一定壽命后可能會(huì)斷線并需要更換”為設(shè)計(jì)前提的;而LED燈通常是LED和控制電路一體化的模塊型產(chǎn)品，因此更換起來并不容易，故以“不會(huì)損壞”為設(shè)計(jì)前提，因此要求從元器件級(jí)別就必須確?？煽啃浴?

對(duì)降低成本的要求也不容忽視。例如，在以兩輪機(jī)動(dòng)車為主要出行工具的東盟(ASEAN)和印度，兩輪機(jī)動(dòng)車的售價(jià)非常低廉。因此對(duì)每個(gè)模塊的成本要求也非常嚴(yán)格，即使是LED燈也毫無例外。

2-2. 電阻電路和LED驅(qū)動(dòng)器IC電路的區(qū)別

迄今為止，由于成本方面的優(yōu)勢(shì)，控制LED用的電路主要采用通過電阻來控制電流的電阻電路。由于電阻電路可以以類似于以往的燈泡型外燈同樣簡(jiǎn)單的構(gòu)造來使LED燈亮，因此成本很低。但是，存在諸如電路的熱損耗導(dǎo)致的效率下降、以及無法檢測(cè)出LED故障之類的問題。

而使用了近年來備受矚目的LED驅(qū)動(dòng)器IC的電路(以下稱“LED驅(qū)動(dòng)器IC電路”)，具有可實(shí)現(xiàn)更低功耗、可通過內(nèi)置的保護(hù)功能檢測(cè)LED故障以確保可靠性等優(yōu)勢(shì)，但存在部件成本增加的問題。

下面具體說明它們之間的差異。

① 功耗方面

當(dāng)作為驅(qū)動(dòng)電路電源輸入的電池電壓上升時(shí)，電阻電路和LED驅(qū)動(dòng)器IC電路所控制的LED電流特性大不相同。電阻電路的情況下，LED電流會(huì)隨著電池電壓的上升而增加。而LED驅(qū)動(dòng)器IC電路的情況下，即使電池電壓上升，也可以按照預(yù)先設(shè)置的電流值執(zhí)行恒流驅(qū)動(dòng)。例如，以電池電壓13V時(shí)的電流值為例，與電阻電路相比，LED驅(qū)動(dòng)器IC電路的功耗可減少50%。由此可見，LED驅(qū)動(dòng)器IC電路在低功耗方面更具優(yōu)勢(shì)。(圖1)

圖1.　功耗方面的特性比較

② 可靠性方面

在可靠性方面，LED驅(qū)動(dòng)器IC電路也更具優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)閷?shí)際安裝的部件數(shù)量較少，故控制電路板中的部件故障可能性也更低。而且，針對(duì)LED燈的開路和短路故障，LED驅(qū)動(dòng)器IC可以檢測(cè)出LED的異常并輸出異常信號(hào)以通知外部。這樣可以盡早發(fā)現(xiàn)LED問題導(dǎo)致的LED燈亮度降低等不安全狀態(tài)，并可以盡早采取對(duì)策。

③ 成本方面

在成本方面電阻電路更具優(yōu)勢(shì)。例如，在圖1中，假設(shè)驅(qū)動(dòng)9個(gè)(3列LED×3段串聯(lián)，約150mA/列)LED，此時(shí)，電阻電路中至少需要10枚1W的電阻器，而LED驅(qū)動(dòng)器IC電路僅需要約4枚IC(具體數(shù)量因封裝而異)。電阻電路看似部件數(shù)量較多，成本也較高，但可以通過使用多個(gè)比IC便宜得多的大功率電阻器來降低成本。而在LED驅(qū)動(dòng)器IC電路中，需要控制燈亮的LED越多，所需的IC也就越多，與電阻電路相比，成本反而增加。

綜上所述，以往的電阻電路和LED驅(qū)動(dòng)器IC電路都只能滿足市場(chǎng)要求的“低功耗”、“高可靠性”、“低成本”中的一部分需求。未來要想進(jìn)一步普及LED燈，就需要針對(duì)這三項(xiàng)需求開發(fā)出三者兼顧的LED驅(qū)動(dòng)器IC。

3. ROHM的新LED驅(qū)動(dòng)器IC

ROHM不僅可以提供里程表指示燈光源用的LED驅(qū)動(dòng)器IC、CID(Center Information Display)和液晶儀表面板白色背光用的LED驅(qū)動(dòng)器IC，還可以提供用于前照燈和尾燈的LED驅(qū)動(dòng)器IC，擁有眾多控制汽車和兩輪機(jī)動(dòng)車中使用的各種LED的技術(shù)與產(chǎn)品。

針對(duì)前述的市場(chǎng)最新需求，ROHM確立了一種新的控制方式“Energy Sharing”，可將功耗從LED驅(qū)動(dòng)器IC內(nèi)部分散到外部電阻，并開發(fā)出采用這種控制方式的MOSFET內(nèi)置型4通道線性LED驅(qū)動(dòng)器IC“BD183x7EFV-M”(BD18337EFV-M / BD18347EFV-M)，適用于兩輪/四輪機(jī)動(dòng)車中應(yīng)用日益普及的LED燈(剎車燈、后尾燈、霧燈、轉(zhuǎn)向燈等)。

下面介紹一下“Energy Sharing”控制方式。

3-1. 降低LED驅(qū)動(dòng)器IC功耗時(shí)面臨的課題

首先，在圖2中給出了普通LED驅(qū)動(dòng)器IC的電路結(jié)構(gòu)及其特性示意圖。在LED驅(qū)動(dòng)器IC內(nèi)部有為L(zhǎng)ED提供電流的恒流電路，在IC的輸入端連接電池電源，在IC的輸出端連接LED。當(dāng)與電池電源的輸入電壓相連接的電源A上升到一定程度時(shí)，LED驅(qū)動(dòng)器IC內(nèi)部的恒流電路可以恒定地輸出LED電流。因此，輸出引腳的電壓等同于所連接LED的正向電壓特性，是恒定的。

LED驅(qū)動(dòng)器IC的功耗為恒流電路輸入輸出間電壓差與LED電流的積，因此功耗隨著電池輸入電壓的上升而增加?？梢?，要想降低LED驅(qū)動(dòng)器IC的功耗，就需要降低恒流電路的輸入輸出間電壓差或LED電流。由于LED電流是根據(jù)客戶要求決定的，很難變更，所以ROHM開發(fā)出一種控制恒流電路的輸入輸出間電壓的方式。

圖2. 普通LED驅(qū)動(dòng)器IC的電路結(jié)構(gòu)及其特性

3-2. 通過降低IC功耗來降低成本的“Energy Sharing”控制方式

接下來，圖3中給出了ROHM開發(fā)的新控制方式“Energy Sharing”的電路結(jié)構(gòu)，該控制方式通過降低LED驅(qū)動(dòng)器IC的功耗實(shí)現(xiàn)了更低成本。通過使部分LED電流分流至驅(qū)動(dòng)器IC外部的電阻R，來控制恒流電路的輸入輸出間電壓，并抑制LED驅(qū)動(dòng)器IC的發(fā)熱量。通過新增的模塊來監(jiān)控輸出引腳電壓，將電源A的電壓控制為恒定電壓。流過電阻器的電流由電阻兩端產(chǎn)生的電池電壓和電源A電壓的電壓差(電池電壓-電源A電壓)、以及外置電阻R來表示。通過使電阻電流隨著電池電壓的增加而增加，來將電源A電壓控制為恒定電壓。利用這種控制方式，可使以往LED驅(qū)動(dòng)器IC本身消耗的功率大部分由外置電阻R消耗，從而使LED驅(qū)動(dòng)器IC的功耗比以往降低約75%。這樣，這種由LED驅(qū)動(dòng)器IC和外置電阻R分別分擔(dān)功耗的結(jié)構(gòu)，使以往由4枚IC實(shí)現(xiàn)的功率僅由1枚IC和大功率電阻即可實(shí)現(xiàn)。

圖3.　ROHM的LED驅(qū)動(dòng)器IC電路結(jié)構(gòu)及其特性

搭載LED驅(qū)動(dòng)器IC新產(chǎn)品的電路成本雖略高于電阻電路，但與以往的LED驅(qū)動(dòng)器IC電路相比，成本可降低40%左右。 除“低功耗”和“高可靠性”之外，通過與外置電阻相結(jié)合的方式，還可以實(shí)現(xiàn)電阻電路的“低成本”。ROHM僅通過在以往LED驅(qū)動(dòng)器IC的輸入引腳端增加1個(gè)引腳，即可實(shí)現(xiàn)該功能。此外，還支持兩輪機(jī)動(dòng)車特有的開/關(guān)燈模式，大部分必要功能僅由IC即可滿足。

4. 適用于汽車的ROHM LED

最后介紹一下ROHM的車載級(jí)LED產(chǎn)品。

ROHM自1973年開始生產(chǎn)炮彈型LED以來，在產(chǎn)品開發(fā)方面，已經(jīng)連續(xù)45年處于行業(yè)領(lǐng)先地位。ROHM的最大優(yōu)勢(shì)在于，能夠進(jìn)行全面而嚴(yán)格的品質(zhì)管理并利用垂直統(tǒng)合型生產(chǎn)體制(從元件制造階段開始就嚴(yán)格貫徹產(chǎn)品理念)進(jìn)行獨(dú)有的產(chǎn)品開發(fā)。另外，能夠提供高品質(zhì)產(chǎn)品也是ROHM的優(yōu)勢(shì)之一。例如，ROHM采用了在裝配工序易于制造的芯片設(shè)計(jì)，對(duì)超小型產(chǎn)品實(shí)施可追溯管理，按照車載級(jí)產(chǎn)品的品質(zhì)要求進(jìn)行流程管理等一系列確保高品質(zhì)的手段。

4-1. 儀表盤指示燈光源用LED

近年來，越來越多的儀表盤指示燈光源開始采用小型LED。但是，為了適應(yīng)汽車嚴(yán)苛的溫度環(huán)境，一般會(huì)設(shè)置一個(gè)空間來避免遮光壁和PCB板接觸，LED的光線從這個(gè)空間向相鄰部位“漏光”一直是亟需解決的課題。另外，隨著LED在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在使用環(huán)境嚴(yán)苛的汽車領(lǐng)域，需要的是對(duì)于環(huán)境應(yīng)力導(dǎo)致的經(jīng)年老化已經(jīng)采取對(duì)策、并具有高度可靠性的產(chǎn)品。

在這種背景下，ROHM面向可能在嚴(yán)苛環(huán)境下使用的汽車儀表盤指示燈光源，開發(fā)出小型、高輸出的透鏡型表面貼裝LED“CSL0901/0902系列”。將光源的位置提高到0.49mm，解決了漏光問題。這使得小型LED能夠得以采用，與以往的反射式LED相比，體積僅為1/18，從而有助于節(jié)省應(yīng)用的空間。另外，通過采用ROHM新開發(fā)的模塑樹脂，使得即使是短波長(zhǎng)高亮度產(chǎn)品，也成功改善了高溫通電時(shí)的光衰問題。比如在藍(lán)色LED的高溫通電加速度試驗(yàn)(Ta=85℃、IF=20mA、通電1000Hr)中，與以往產(chǎn)品相比，光通量改善了約80%。不僅如此，還提高了抗硫化性能，以防止車載應(yīng)用中的經(jīng)年老化原因之一----硫化問題。

4-2. 車內(nèi)照明光源用LED

隨著目標(biāo)應(yīng)用的多功能化，包括儀表盤在內(nèi)的車內(nèi)設(shè)備中，對(duì)于照亮圖標(biāo)顯示、汽車導(dǎo)航等所有面板的照明光源用LED的小型化要求也越來越高。

針對(duì)這種市場(chǎng)需求，ROHM通過改善封裝形狀、反射器材質(zhì)、元件及表面鍍層等，來推進(jìn)小型高亮度LED的開發(fā)。此外還通過精細(xì)調(diào)整元件和熒光體，顯著改善了色度的不均衡問題。通過這些努力，ROHM實(shí)現(xiàn)了雖為1608尺寸的小型封裝卻具有與以往大型封裝同等亮度的產(chǎn)品。

圖4. 車外照明光源LED的發(fā)展趨勢(shì)

4-3. 車外照明光源用LED

從設(shè)計(jì)靈活性的角度來看，車外照明光源中不僅要求LED的小型化和薄型化，為了減少搭載數(shù)量，對(duì)大功率LED的需求也逐年增加。另外，汽車用剎車燈等通常會(huì)在惡劣的環(huán)境下使用，為了確保可靠性，必須采取抗硫化措施。因此，ROHM目前正在推進(jìn)開發(fā)既能保持高亮度又具有出色的抗硫化性能的大功率LED產(chǎn)品。這些產(chǎn)品與前述的LED驅(qū)動(dòng)器IC相結(jié)合，有望實(shí)現(xiàn)適用于車外燈的性能。

5. 未來發(fā)展方向

一直以來，ROHM始終堅(jiān)持“品質(zhì)第一”的企業(yè)宗旨，開發(fā)適用于汽車照明的先進(jìn)產(chǎn)品。本文從ROHM豐富的產(chǎn)品陣容中，選取并介紹了獨(dú)具特色的兩類產(chǎn)品，包括兼顧三大市場(chǎng)需求的LED驅(qū)動(dòng)器IC和實(shí)現(xiàn)了小型高可靠性的LED。

未來，隨著自動(dòng)駕駛的普及，汽車照明不僅僅擔(dān)負(fù)著夜間照亮前方和剎車時(shí)提醒后方的作用，還有可能承擔(dān)起向外部通知車輛狀態(tài)等信息的作用。因此，LED需要提高輸出功率，而LED驅(qū)動(dòng)器IC需要能夠支持動(dòng)態(tài)控制光源并將信息傳遞給外部的控制方式。ROHM希望通過迅速捕捉這些市場(chǎng)變化，繼續(xù)提供滿足客戶和社會(huì)需求的產(chǎn)品。