安森美半导体先进节能的汽车 LED 照明方案

时间:2017-09-28 17:01来源:21Dianyuan

摘要:汽车LED照明不仅可打造时尚的车辆外观和个性化的氛围,在燃油经济性及主动安全等方面也发挥重要的作用。先进的照明方案能自动根据驾驶员的操作、路况和环境条件而调光和转向,从而提升行车安全。

汽车 LED 照明不仅可打造时尚的车辆外观和个性化的氛围,在燃油经济性及主动安全等方面也发挥重要的作用。先进的照明方案能自动根据驾驶员的操作、路况和环境条件而调光和转向,从而提升行车安全。作为全球第二大非微控制器的汽车半导体供应商和第一大汽车自适应前照灯供应商,安森美半导体提供全面的高能效 LED 汽车照明方案,用于汽车内部照明如阅读灯、RGB 氛围灯、仪表盘背光灯等,和外部照明如前大灯、日间行车灯( DRL )、转向灯、尾灯、标识灯等。本文将着重介绍其最新的创新方案。

按照系统集成度和设计复杂度,照明方案可分为4大类:

1.  集成度最高、设计最复杂的、系统集成的方案,不仅集成开关电源 ( SMPS ) 模块,还集成各种通信接口及丰富的诊断功能,主要针对汽车前大灯应用;
2.  集成度较高、设计复杂的 SMPS,主要针对 DRL 应用;
3.  高集成度但相对简单的线性 LED 驱动,主要用于小电流的刹车灯、尾灯等;
4.  最简单的分立器件

系统集成的 LED 前大灯
安森美半导体先后推出了三代用于 LED 前大灯系统的驱动方案。第一代 NCV78663 和第二代 NCV78763 都采用单相升压+双路降压架构,一颗芯片可驱动两串 LED,已广泛应用于奔驰、宝马、奥迪、雷诺、福特等各大车厂。第三代方案根据 LED 前大灯系统的最新趋势,升压与降压电路被分为两颗芯片,适用于多串 LED 的矩阵式大灯系统,多路降压稳压器 NCV78723 和 NCV78713 分别可驱动两串和一串 LED,两相升压稳压器 NCV78702 和三相升压稳压器 NCV78703 可提供更好的性能及更大的输出功率。

1.  智能功率镇流器和双路 LED 驱动器 NCV78663 和 NCV78763

NCV78663 的应用框图如图1所示, Boost 控制器外接 N 沟道 MOSFET,将电池电压升压,最高可升至 60 V,Buck 电路内部集成 MOSFET,稳定每串 LED 电流(最高 1.2 A ),每串 LED 都带有温度检测输入,芯片内部集成多项诊断及保护功能,可由 SPI 接口与外部 MCU 通信,或通过内部一次性可编程 ( OTP )  ROM 来定制系统。


 
图1:LED 镇流器 NCV78663 应用电路图

NCV78763 将每串 LED 电流最高提升为 1.6 A,提供更高的调光分辨率,Boost 的环路补偿由数字改为模拟。由于移除内部 OTP,所以必须结合 MCU 进行工作,成本较 NCV78663 有所降低。

 
图2:NCV78763 应用电路图

NCV78663 和 NCV78763 拓扑构相同,都由一路 Boost + 两路 Buck 组成。当采用 PWM 调光时,为避免闪烁效应,汽车整车厂商通常要求调光频率高于500 Hz。在这种升降压两级架构中,LED 由 Buck 电路稳流,可易于提高调光频率,满足整车厂商的要求。由于设计需要,不同车型的 LED 颗数及功率有所不同,导致 LED 串的电压、电流不同,而升降压拓扑可支持宽范围的 LED 负载变化,通过更改相应寄存器的值,可适应不同的 LED 负载情况,支持平台化的设计。采用升降压拓扑,系统更易于稳定:Boost 电路相对不易稳定,系统带宽较低,响应较慢,所以用于前级提供升压;Buck 电路容易稳定,带宽高,响应快,用于后级 LED 稳流,即使 LED 负载有较大的调变,系统也非常容易稳定。此外,在自适应智能矩阵式大灯的应用中,为避免来自输出电容的放电电流,LED 驱动的输出电容必须非常小,按拓扑结构,Buck 是理想的电流源,输出有电感,即使输出电容非常小甚或为零,也可获得较小的输出电流纹波,因此,这种升降压两级拓扑还支持像素灯或矩阵式大灯。

NCV78663 和 NCV78763 都具有较高的集成度,集成开关、调光、诊断、电流检测等功能,成本极具竞争力。

2.  矩阵式大灯系统方案

在矩阵式大灯的应用中,需要更多串的 LED 灯。NCV78663 和 NCV78763 每颗芯片只能驱动两串 LED,如果驱动更多串 LED 需要采用多颗芯片,会增加方案成本。安森美半导体的第三代方案把升压芯片与降压芯片分开,第一级采用多相升压 boost,可提供较大的功率,第二级采用降压芯片,可根据所需 LED 串的数量进行组合配置,这种结构在多串 LED 应用中更为灵活且成本更低,而且内部集成 OTP ROM,因此无需 MCU 就能独立工作。如三相升压控制器 NCV78703,可轻松实现 150 W 以上的输出功率,和更优的性能,如较好的动态响应、较低的输出纹波等,且在大功率应用中可降低无源器件的规格,方案成本更具优势。NCV78703 还可分别接独立输出,通过相应的寄存器可精确控制每相的功率分配。而双路降压稳压器 NCV78723,无需外置电流检测电阻,通过控制内部 MOSFET 的峰值电流来实现稳流并保证较高的稳流精度。

 
图3:NCV78703 应用电路图

用于 LED 驱动的开关电源

1.  低基准电压的8引脚升压开关电源
NCV8873 是一款采用峰值电流模式控制的升压控制器,可实现多种拓扑如反激、SEPIC 等,反馈电压基准仅 0.2 V,有利于降低 LED 电流采样电阻的功耗,输入电压范围从 3.2 V 至 40 V,可耐受 45 V 抛负载电压,最高结温可达 150℃,适用于日间行车灯及背光灯等。其中 NCV887300 的开关频率为1 MHz,高频可减小无源器件的体积,NCV887301 的开关频率为 400 kHz,低频可提高能效和 EMI 性能。


 
图4:NCV8873–SEPIC 用于日间行车灯

2.   1.5 A 多拓扑恒流 LED DC-DC 开关稳压器
NCV3065 是一款内部集成功率晶体管的 LED 驱动,可灵活配置成升压、降压、升降压等多种拓扑。反馈电压低至 235 mV,可降低电流检测电阻的功耗。输入电压范围从 3 V 至 40 V,无需环路补偿,工作频率可调至 250 kHz,适用于低成本的 LED驱 动。

NCV3066 比 NCV3065 增加了 ON/OFF 引脚,可用于实现 PWM 调光。

适用于小电流应用的线性 LED 驱动方案
线性驱动较开关电源简单,更易于设计,但会产生较高的功耗,适用于小电流应用。

1. 恒流源 CCR
一颗芯片可驱动一串 LED。典型产品有 NSI45xxx、NSI50xxx、NSIC20xx、NSI45xxxJ 等,电流从 20 mA 至 160 mA,有固定电流和电流可调版本,可用于中央高位刹车灯、尾灯、阅读灯等,只需串联于 LED 串即可。

2. LED 预驱动器
如 NCV7691,需要外接功率三极管,可驱动多串 LED。该器件通过外部电流采样电阻设定电流值,并集成短路检测、PWM 调光、诊断(欠压、短路、开路)等功能,外接 NTC 电阻以实现温度控制,当温度过高时自动降低 LED 电流以避免损坏。NCV7691 的诊断脚可连接在一起,当任意一颗芯片报错时,系统都可响应以关断其它串。

3. 多串 LED 驱动
 NCV768x 系列如 NCV7680,可驱动8串 LED,主要针对尾灯应用。NCV7681 和 NCV7683 是 NCV7680 的下一代产品,每串电流能力由 80 mA 提升至 100 mA,其中 NCV7683 内置时序控制,无需 MCU 就能实现流水灯效果。NCV768x 系列器件集成诊断功能,可外接预降压 MOSFET 降低功耗,从而减小芯片的发热。

4. 内部照明单芯片方案
NCV7430 是单芯片红绿蓝 ( RGB ) LED驱动器,带 LIN 协议通信接口,可对 LED 颜色和亮度参数进行编程,适用于汽车内部照明或氛围灯,灵活又降低成本。

简单的分立器件:LED 分流器
保持一串 LED 持续亮的方案是为每一 LED 或 LED 群组提供分流器。当任意一颗 LED 开路损坏时,随着电压升高,LED 分流器会被击穿,从而旁路该 LED,使得 LED 串可继续工作,延长车灯的使用时间。

根据击穿电压不同,有分别并联于一颗 LED、两颗 LED、三颗 LED 的分流器芯片,如 NUD4700 并联于一颗 LED,NUD1015 并联于两颗 LED,NUD1025 并联于三颗 LED。

在某些“关键任务”的车灯应用中,当一颗 LED 发生故障后,需关断所有 LED 串,提示客户立即换灯。低电流 HBL5006 系列帮助检测开路,并触发电路关断 LED 驱动器。

总结
LED 照明不仅提供汽车外观设计的优势,增强销售吸引力和加强品牌形象,并有利于控制能源和维护成本,还可用于先进驾驶辅助系统 ( ADAS ) 以提升安全性。安森美半导体提供全面的高能效汽车 LED 照明方案,包括 LED 矩阵式前大灯系统方案、用于日行灯的开关电源 LED 驱动、用于尾灯专用的线性驱动、带有时序控制的流水灯线性方案及增强安全性和可靠性的 LED 分流器等,并配合市场趋势推动下一代汽车照明创新。

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