從安森美新矩陣式全LED前照燈 談汽車LED照明趨勢

近年來,憑藉光效增高、能耗低、可靠性高、壽命長、尺寸小及環保等眾多優勢,LED在汽車內部及外部照明中的應用日漸增多,已經從最初不那麼緊要的 汽車照明應用,如座艙內照明、停車燈及儀錶板背光,跨越到了前照燈及組合尾燈等更寬廣應用。特別是由於尺寸小,LED能夠配合豐富的形狀和線條變化,有助提升車燈辨識度,被指定用於眾多中高檔車的前照燈系統,配合漂亮的外觀造型設計。

 

圖1:典型汽車LED照明應用

 

 

 

汽車LED照明——不僅是漂亮,更助提升汽車主動安全性

LED照明給汽車帶來的直觀好處,並不限於漂亮造型。根據美國全國公路交通安全管理局(NHTSA)和歐洲委員會(EC)統計,雖然只有25%的駕 駛是在夜間和光線不足期間,但卻有40%的死亡和重傷事故發生在這段時間。故改善汽車照明,特別是夜間和光線不足條件下的照明,有助提升汽車主動安全性。 實際上,為了保護駕駛員/車上人員/路邊行人的安全,業界長期致力於開發各種汽車照明方案,如用於改善夜間轉彎時照明的自我調整前照燈(AFS)方案,及 用於改善日間行車安全的日間行車燈(DRL)方案。

與傳統上在汽車照明中廣泛應用的白熾燈和高強度氣體放電燈(HID)相比,LED用於汽車照明有著無可比擬的優點。如LED回應時間短,用於刹車燈 可以增加後車的刹車距離,用於轉向燈則有更好警示效果。LED的亮度高,但又不像HID那樣刺眼,有助降低對向行駛汽車駕駛員眩目的風險。LED燈能耗比 白熾燈或HID低很多,有助降低燃油消耗,節省支出。

 

 

典型汽車照明應用LED驅動器方案

不同汽車照明應用對LED電流的要求各不相同,故需結合具體應用要求,選擇適合的LED驅動器方案。典型LED驅動方案包括電阻、線性恒流穩流器、線性穩壓器及開關穩壓器等。

其中,電阻是最簡單、最低成本的LED限流方案,但能效也最低,且存在LED篩選成本及熱失控等問題。恒流穩流器(CCR)性能高於電阻方案,但成 本低於線性或開關穩壓器方案,適合低電流LED照明應用。線性穩壓器支援多條線路並行配置以説明散熱,提供達±2%的穩流精度,無電磁干擾(EMI)問 題,成本中等,但能效也較低。開關穩壓器廣泛使用。這種方案成本更高,技術更複雜,但支援任何類型的輸入電壓與輸出電壓關係,且根據輸入/輸出條件,能效 能夠高於90%,但存在EMI問題。

 

圖2:典型汽車照明應用及LED驅動器方案

 

除了這些方案,安森美半導體還推出高集成LED照明管理積體電路(LMIC)。這些LMIC集成了多種LED驅動及控制功能,相當於完整子系統,能夠承受高達125℃的環境溫度,用於汽車前照燈、組合尾燈及最新的AFS等應用。

 

 

全LED前照燈應用要求及高集成度驅動方案

2008年,奧迪R8全球第一次採用全LED前照燈。這全LED前照燈中包含近光燈、遠光燈、轉向燈及日間行車燈等模組,其中各含不同數量LED。 根據研究及諮詢服務公司SNE Research的資料,2013年全球汽車市場LED前照燈的滲透率不足5%,但預計到2020年這一比例將超過50%,可見增長前景十分可觀。

但全LED前照燈對驅動方案提出更高要求,要求高能效集成驅動器,支持從單個LED到多串LED等不同配置(電壓可高達60 V),還要求脈寬調製(PWM)調光,如用於示廓燈。全LED前照燈還要求LED串低EMC輻射,且對散熱、診斷及通信介面等多方面提出了要求。

 

圖3:安森美半導體單晶片智慧前照燈LED驅動器NCV78663應用電路圖。

 

安森美半導體配合全LED前照燈驅動需求,推出了NCV78663單晶片高能效智慧電源鎮流器及雙LED驅動器系統級晶片(SoC),用於先進的 LED前照燈系統。NCV78663採用降壓-升壓拓撲結構,能夠提供高於90%的總能效,是一款高集成度方案,使設計人員能夠以單顆SoC控制遠光燈及 近光燈、日間行車燈、轉向指示燈及霧燈。NCV78663極適合於驅動大電流LED(電流可達2 A),支持PWM調光以維持LED色溫及平均電流受控。NCV78663通過兩個內置獨立降壓開關通道,以極少數量的外部元件,提供驅動電壓達60 V的兩串LED的完整驅動方案。每個通道可以根據應用要求來通過SPI介面和/或OTP設置來定制輸出電流和電壓。這器件在片上提供汽車前照燈診斷功能, 還集成了升壓控制器,為設計人員提供外部元件數量有限的獨特輸入電流濾波器。NCV78663既能獨立使用,也可以與微控制器結合使用,靈活性極高。這方 案源自電池的EMC較低,輻射至LED串的EMC也較低。

安森美半導體的NCV78663全LED前照燈驅動器已經獲得賓士E系列的採用,每輛車在其先進前照燈系統中使用多達6顆NCV78663,還使用多達3顆的安森美半導體NCV70522步進電機驅動器。

 

 

安森美半導體最新矩陣式動態智慧全LED前照燈方案

近年來,市場上出現了矩陣式動態智慧全LED前照燈,如賓士新一代S級汽車中配備的智慧型LED前照燈。此前照燈系統內包含56顆LED,每個LED能夠分別點亮、熄滅或是調整亮度。此燈的獨特功能如下:

  • 防對向車輛炫目:LED根據前雷達和立體攝像機的資料進行點亮、熄滅或者是調整亮度動作,實現自動調整照射範圍,保證自己視線的同時,避免造成對方車輛炫目。
  • 繞開前方車輛輪廓:遇到前方同方向行駛車輛時,可繞開前車輪廓,同時完全照亮前車左側和右側區域。因此夜間行車時可一直開啟遠光燈,大幅提升行車安全性。
  • 遇行人快速閃爍:智慧頭燈可以識別出前方行人,用大燈自動快速閃爍,以提醒行人避開危險,降低夜間意外的可能。

 

圖4:動態智慧全LED前照燈之獨特功能示意。

 

這樣的矩陣式動態智慧全LED前照燈可以採用串聯或並聯驅動結構。採用並聯結構時,各顆LED在電氣特性方面的差異對照明系統的性能有顯著影響,造 成能耗增加及散熱問題。串聯驅動結構中,LED驅動器提供恒流源,短路開關可以關閉單個LED,從而能夠根據需要來改變光束。如果在串聯驅動電路中增加伴 侶晶片(圖元控制器),透過系統劃分,這樣就有可能避免並聯拓撲結構所固有的能耗及熱管理問題。

 

圖5a:安森美半導體矩陣式汽車LED前照燈方案示意圖。

 

 

圖5b:安森美半導體矩陣式汽車LED前照燈方案示意圖(續)。

 

 

安森美半導體的NCV78763降壓-升壓LED驅動IC在這矩陣式動態智慧全LED前照燈中充當電流源,它與集成型圖元控制器/伴侶晶片相輔相成。這種模組化方法減少了元件數量,並簡化應用流程,因而加速產品上市。

總結: 本文介紹LED在汽車照明中的各種應用,分析LED的應用優勢,特別是如今越來越受到重視的幫助提升汽車主動安全性能方面的優勢,概覽典型汽車照明應用的 LED驅動器方案,重點介紹配合最新全LED汽車前照燈要求的安森美半導體NCV78663高集成度LED驅動器方案,特別是它在最新矩陣式智慧動態 LED前照燈系統中的應用。

 

(文 / 安森美半導體提供)

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