安森美半導(dǎo)體先進(jìn)節(jié)能的汽車LED照明方案

汽車LED照明不僅可打造時(shí)尚的車輛外觀和個(gè)性化的氛圍，在燃油經(jīng)濟(jì)性及主動(dòng)安全等方面也發(fā)揮重要的作用。先進(jìn)的照明方案能自動(dòng)根據(jù)駕駛員的操作、路況和環(huán)境條件而調(diào)光和轉(zhuǎn)向，從而提升行車安全。作為全球第二大非微控制器的汽車半導(dǎo)體供應(yīng)商和第一大汽車自適應(yīng)前照燈供應(yīng)商，安森美半導(dǎo)體提供全面的高能效LED汽車照明方案，用于汽車內(nèi)部照明如閱讀燈、RGB氛圍燈、儀表盤背光燈等，和外部照明如前大燈、日間行車燈(DRL)、轉(zhuǎn)向燈、尾燈、標(biāo)識(shí)燈等。本文將著重介紹其最新的創(chuàng)新方案。

按照系統(tǒng)集成度和設(shè)計(jì)復(fù)雜度，照明方案可分為4大類：

1. 集成度最高、設(shè)計(jì)最復(fù)雜的、系統(tǒng)集成的方案，不僅集成開關(guān)電源(SMPS)模塊，還集成各種通信接口及豐富的診斷功能，主要針對(duì)汽車前大燈應(yīng)用;

2. 集成度較高、設(shè)計(jì)復(fù)雜的SMPS，主要針對(duì)DRL應(yīng)用;

3. 高集成度但相對(duì)簡單的線性LED驅(qū)動(dòng)，主要用于小電流的剎車燈、尾燈等;

4. 最簡單的分立器件

系統(tǒng)集成的LED前大燈

安森美半導(dǎo)體先后推出了三代用于LED前大燈系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方案。第一代NCV78663和第二代NCV78763都采用單相升壓+雙路降壓架構(gòu)，一顆芯片可驅(qū)動(dòng)兩串LED，已廣泛應(yīng)用于奔馳、寶馬、奧迪、雷諾、福特等各大車廠。第三代方案根據(jù)LED前大燈系統(tǒng)的最新趨勢(shì)，升壓與降壓電路被分為兩顆芯片，適用于多串LED的矩陣式大燈系統(tǒng)，多路降壓穩(wěn)壓器NCV78723和NCV78713分別可驅(qū)動(dòng)兩串和一串LED，兩相升壓穩(wěn)壓器NCV78702和三相升壓穩(wěn)壓器NCV78703可提供更好的性能及更大的輸出功率。

1. 智能功率鎮(zhèn)流器和雙路LED驅(qū)動(dòng)器NCV78663和NCV78763

NCV78663的應(yīng)用框圖如圖1所示， Boost控制器外接N溝道MOSFET，將電池電壓升壓，最高可升至60 V，Buck電路內(nèi)部集成MOSFET，穩(wěn)定每串LED電流(最高1.2 A)，每串LED都帶有溫度檢測(cè)輸入，芯片內(nèi)部集成多項(xiàng)診斷及保護(hù)功能，可由SPI接口與外部MCU通信，或通過內(nèi)部一次性可編程(OTP) ROM來定制系統(tǒng)。

圖1：LED鎮(zhèn)流器NCV78663應(yīng)用電路圖

NCV78763將每串LED電流最高提升為1.6 A，提供更高的調(diào)光分辨率，Boost的環(huán)路補(bǔ)償由數(shù)字改為模擬。由于移除內(nèi)部OTP，所以必須結(jié)合MCU進(jìn)行工作，成本較NCV78663有所降低。

圖2：NCV78763應(yīng)用電路圖

NCV78663和NCV78763拓?fù)錁?gòu)相同，都由一路Boost + 兩路Buck組成。當(dāng)采用PWM調(diào)光時(shí)，為避免閃爍效應(yīng)，汽車整車廠商通常要求調(diào)光頻率高于500 Hz。在這種升降壓兩級(jí)架構(gòu)中，LED由Buck電路穩(wěn)流，可易于提高調(diào)光頻率，滿足整車廠商的要求。由于設(shè)計(jì)需要，不同車型的LED顆數(shù)及功率有所不同，導(dǎo)致LED串的電壓、電流不同，而升降壓拓?fù)淇芍С謱挿秶腖ED負(fù)載變化，通過更改相應(yīng)寄存器的值，可適應(yīng)不同的LED負(fù)載情況，支持平臺(tái)化的設(shè)計(jì)。采用升降壓拓?fù)洌到y(tǒng)更易于穩(wěn)定：Boost電路相對(duì)不易穩(wěn)定，系統(tǒng)帶寬較低，響應(yīng)較慢，所以用于前級(jí)提供升壓;Buck電路容易穩(wěn)定，帶寬高，響應(yīng)快，用于后級(jí)LED穩(wěn)流，即使LED負(fù)載有較大的調(diào)變，系統(tǒng)也非常容易穩(wěn)定。此外，在自適應(yīng)智能矩陣式大燈的應(yīng)用中，為避免來自輸出電容的放電電流，LED驅(qū)動(dòng)的輸出電容必須非常小，按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，Buck是理想的電流源，輸出有電感，即使輸出電容非常小甚或?yàn)榱悖部色@得較小的輸出電流紋波，因此，這種升降壓兩級(jí)拓?fù)溥€支持像素?zé)艋蚓仃囀酱鬅簟?/p>

NCV78663和NCV78763都具有較高的集成度，集成開關(guān)、調(diào)光、診斷、電流檢測(cè)等功能，成本極具競爭力。

2. 矩陣式大燈系統(tǒng)方案

在矩陣式大燈的應(yīng)用中，需要更多串的LED燈。NCV78663和NCV78763每顆芯片只能驅(qū)動(dòng)兩串LED，如果驅(qū)動(dòng)更多串LED需要采用多顆芯片，會(huì)增加方案成本。安森美半導(dǎo)體的第三代方案把升壓芯片與降壓芯片分開，第一級(jí)采用多相升壓boost，可提供較大的功率，第二級(jí)采用降壓芯片，可根據(jù)所需LED串的數(shù)量進(jìn)行組合配置，這種結(jié)構(gòu)在多串LED應(yīng)用中更為靈活且成本更低，而且內(nèi)部集成OTP ROM，因此無需MCU就能獨(dú)立工作。如三相升壓控制器NCV78703，可輕松實(shí)現(xiàn)150 W以上的輸出功率，和更優(yōu)的性能，如較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、較低的輸出紋波等，且在大功率應(yīng)用中可降低無源器件的規(guī)格，方案成本更具優(yōu)勢(shì)。NCV78703還可分別接獨(dú)立輸出，通過相應(yīng)的寄存器可精確控制每相的功率分配。而雙路降壓穩(wěn)壓器NCV78723，無需外置電流檢測(cè)電阻，通過控制內(nèi)部MOSFET的峰值電流來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流并保證較高的穩(wěn)流精度。

圖3：NCV78703應(yīng)用電路圖

用于LED驅(qū)動(dòng)的開關(guān)電源

1. 低基準(zhǔn)電壓的8引腳升壓開關(guān)電源

NCV8873是一款采用峰值電流模式控制的升壓控制器，可實(shí)現(xiàn)多種拓?fù)淙绶醇?、SEPIC等，反饋電壓基準(zhǔn)僅0.2 V，有利于降低LED電流采樣電阻的功耗，輸入電壓范圍從3.2 V至40 V，可耐受45 V拋負(fù)載電壓，最高結(jié)溫可達(dá)150℃，適用于日間行車燈及背光燈等。其中NCV887300的開關(guān)頻率為1 MHz，高頻可減小無源器件的體積，NCV887301的開關(guān)頻率為400 kHz，低頻可提高能效和EMI性能。

圖4：NCV8873–SEPIC用于日間行車燈

2. 1.5 A多拓?fù)浜懔鱈ED DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器

NCV3065是一款內(nèi)部集成功率晶體管的LED驅(qū)動(dòng)，可靈活配置成升壓、降壓、升降壓等多種拓?fù)?。反饋電壓低?35 mV，可降低電流檢測(cè)電阻的功耗。輸入電壓范圍從3 V至40 V，無需環(huán)路補(bǔ)償，工作頻率可調(diào)至250 kHz，適用于低成本的LED驅(qū)動(dòng)。

NCV3066比NCV3065增加了ON/OFF引腳，可用于實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光。

適用于小電流應(yīng)用的線性LED驅(qū)動(dòng)方案

線性驅(qū)動(dòng)較開關(guān)電源簡單，更易于設(shè)計(jì)，但會(huì)產(chǎn)生較高的功耗，適用于小電流應(yīng)用。

1. 恒流源CCR

一顆芯片可驅(qū)動(dòng)一串LED。典型產(chǎn)品有NSI45xxx、NSI50xxx、NSIC20xx、NSI45xxxJ等，電流從20 mA至160 mA，有固定電流和電流可調(diào)版本，可用于中央高位剎車燈、尾燈、閱讀燈等，只需串聯(lián)于LED串即可。

2. LED 預(yù)驅(qū)動(dòng)器

如NCV7691，需要外接功率三極管，可驅(qū)動(dòng)多串LED。該器件通過外部電流采樣電阻設(shè)定電流值，并集成短路檢測(cè)、PWM調(diào)光、診斷(欠壓、短路、開路)等功能，外接NTC電阻以實(shí)現(xiàn)溫度控制，當(dāng)溫度過高時(shí)自動(dòng)降低LED電流以避免損壞。NCV7691的診斷腳可連接在一起，當(dāng)任意一顆芯片報(bào)錯(cuò)時(shí)，系統(tǒng)都可響應(yīng)以關(guān)斷其它串。

3. 多串LED驅(qū)動(dòng)

NCV768x系列如NCV7680，可驅(qū)動(dòng)8串LED，主要針對(duì)尾燈應(yīng)用。NCV7681和NCV7683是NCV7680的下一代產(chǎn)品，每串電流能力由80 mA提升至100 mA，其中NCV7683內(nèi)置時(shí)序控制，無需MCU就能實(shí)現(xiàn)流水燈效果。NCV768x系列器件集成診斷功能，可外接預(yù)降壓MOSFET降低功耗，從而減小芯片的發(fā)熱。

4. 內(nèi)部照明單芯片方案

NCV7430是單芯片紅綠藍(lán)(RGB) LED驅(qū)動(dòng)器，帶LIN協(xié)議通信接口，可對(duì)LED顏色和亮度參數(shù)進(jìn)行編程，適用于汽車內(nèi)部照明或氛圍燈，靈活又降低成本。

簡單的分立器件：LED分流器

保持一串LED 持續(xù)亮的方案是為每一LED或LED群組提供分流器。當(dāng)任意一顆LED開路損壞時(shí)，隨著電壓升高，LED分流器會(huì)被擊穿，從而旁路該LED，使得LED串可繼續(xù)工作，延長車燈的使用時(shí)間。

根據(jù)擊穿電壓不同，有分別并聯(lián)于一顆LED、兩顆LED、三顆LED的分流器芯片，如NUD4700并聯(lián)于一顆LED，NUD1015并聯(lián)于兩顆LED，NUD1025并聯(lián)于三顆LED。

在某些“關(guān)鍵任務(wù)”的車燈應(yīng)用中，當(dāng)一顆LED發(fā)生故障后，需關(guān)斷所有LED串，提示客戶立即換燈。低電流HBL5006系列幫助檢測(cè)開路，并觸發(fā)電路關(guān)斷LED驅(qū)動(dòng)器。

總結(jié)

LED 照明不僅提供汽車外觀設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)銷售吸引力和加強(qiáng)品牌形象，并有利于控制能源和維護(hù)成本，還可用于先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)以提升安全性。安森美半導(dǎo)體提供全面的高能效汽車LED照明方案，包括LED矩陣式前大燈系統(tǒng)方案、用于日行燈的開關(guān)電源LED驅(qū)動(dòng)、用于尾燈專用的線性驅(qū)動(dòng)、帶有時(shí)序控制的流水燈線性方案及增強(qiáng)安全性和可靠性的LED分流器等，并配合市場趨勢(shì)推動(dòng)下一代汽車照明創(chuàng)新。