【導讀】汽車環境為LED帶來了巨大的挑戰，LED必須能提供穩定的光輸出，即使大燈周圍的電氣條件和散熱條件不斷變化，燈光的通量和色點也必須保持恒定。本文提出一種完全集成、靈活的汽車LED驅動設計，不但能滿足汽車外部照明應用的各種要求，同時還能克服現有電子器件設計存在的諸多不足…
LED燈在這些汽車前部照明應用中得到日益廣泛的使用，其主要原因在于：相對于常規白熾燈或高亮度放電(HID)燈，LED燈在款式和設計方面具有獨到的優勢，近期則更是得益于低功耗這一特性。但是，同樣重要的是隨著LED技術的不斷發展，已經可以提供更高的功率水平和更寬的色域。目前，在汽車前部照明應用中，LED燈的性能已不亞于白熾燈。
本文旨在探討LED照明系統中的這一重要元件，指出在開發LED外燈驅動電子架構時需要考慮的因素。文章將說明在汽車外部照明應用中使用 LED燈的原因(如使用壽命長、功耗低)，同時討論在這些應用中引入LED燈所面臨的挑戰，其中包括行業要求(AEC-Q100)和功能要求。
在此基礎上，我們將深入研究這些應用要求對電子器件的影響，以便充分挖掘LED燈的巨大潛力。我們將提出一種通用型LED照明系統架構，同時列出電子控制裝置所要求的特性。這些特性包括LED散熱管理、靈活地驅動不同LED配置以及具有成本優勢的系統設計等。
LED在汽車應用領域面臨的挑戰
汽車環境為LED帶來了巨大的挑戰，LED必須能提供穩定的光輸出，即使大燈周圍的電氣條件和散熱條件不斷變化，燈光的通量和色點也必須保持恒定。
由于LED的光輸出與應用于LED的電流成比例，同時，LED采用的是擴散式生產工藝，因此即使是同一批次的產品，也可能在驅動電流相同的情況下，其光輸出存在差異。為了避免這種不利差異，往往根據某些參數(如正向電壓、通量輸出)來選擇LED(也稱"篩選")。通過篩選，可以確保同一批次的 LED在光輸出和色點方面更加一致。
LED還必須保證在-40℃至+125℃的環境溫度范圍內，光輸出達到具體應用的最低法定光通量要求。頭燈的光通量需要達到1,000流明左右，并能在工作溫度范圍內提供要求的最低光輸出。
為了達到這種光通量要求，可能要將數個LED串聯或并聯起來。將多個高亮度LED燈集合到一起同時對散熱管理提出了很高的要求，因為隨著LED溫度的升高，LED的光輸出會大幅下降，色點會發生偏移。因此，LED在產生這種量級的光的過程中散發的熱量必須通過散熱器傳導出去。在一些極端情況下，可能需要降低LED的驅動電流，以避免LED過熱和損毀。
汽車工業對LED的可靠性同樣提出了嚴格的要求。LED解決方案必須能夠達到AEC-Q100標準的嚴格要求。這就意味著，LED及驅動器電子器件必須通過該標準的認證。
此外，汽車制造商以及一級照明產品供應商提出了其他的功能要求，比如利用LED來提供雙重功能，舉例來說，日間行駛燈有時充當停車燈，尾燈有時用作停止燈。這就意味著，LED提供的光必須具有兩個可以控制的輸出水平。為了避免不同電流水平下的色點偏移，多數系統設計通過對LED電流進行一種脈沖寬度調制(PWM)處理，以減少LED的平均電流，同時還能使峰值電流維持恒定。這樣在相同的色點下，可以實現較低的光輸出水平。 下一節將介紹在汽車應用中為什么在汽車照明中采用LED？
為什么在汽車照明中采用LED？
對于汽車制造商來說，款式上的優勢仍然是使用LED燈的主要原因之一。顯然，汽車制造商看到了進一步鞏固其汽車品牌的機會。已有多種照明設計從 LED燈提供的更大設計自由度中受益。較為著名的早期案例包括奧迪A8/A6。
不過，關注點正在向LED燈對汽車照明應用帶來的其他優勢上轉移。其中包括更低的功耗、更長的使用壽命和更快的啟動時間。
密歇根大學運輸研究學院(UMTRI)在2008年發布了一份報告，評估了常規白熾燈和LED解決方案在白天行駛照明功能的能耗水平。他們發現，對于等效功能，LED解決方案的能耗水平要低50%(23W對46W)。這種節省可以直接轉換成燃油效率，同時還能使客車的二氧化碳排放量減少50%。
對于準備開發全電動汽車的汽車制造商來說，這種燃油效率十分重要。而對于消費者來說，一個重要的購買標準是電動汽車在充滿電的情況下能行駛的距離。為此，汽車制造商們正在尋找適當的方式，以改善各種功能的能耗水平，從而提高汽車的續航能力。LED燈顯然具有極大的節能優勢，因而日益成為照明設計工程師們的自然選擇。
另一個對LED效率的提升以及LED在汽車照明應用領域的滲透做出了不可磨滅的貢獻的重要因素是LED的照明效率，即每瓦特的流明(lm/W)。該指標衡量的是LED燈每消耗一瓦特能量所產生的光輸出量。該值越高，LED將輸入功率轉換為光輸出的效率就越高。如今的高亮度LED燈能實現 100-150lm/W的照明效率，而一只60W白熾燈僅為10-18lm/W。
這項指標的改進極大地擴大了LED燈的應用范圍，并拓展到完全以LED燈為基礎的汽車前部照明系統之中。尤其是完全以LED為基礎的大燈，其中包括遠光和近光調整等功能。
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LED對電子系統架構的影響
實際上，LED的諸多功能和優勢取決于用于驅動它們的電子器件。電子驅動器解決方案會對LED以及整個系統的效率和性能產生巨大影響。
圖1所示為一種針對外部LED燈的通用型LED照明系統架構。圖中顯示了用于驅動LED的一種通用照明控制模塊(LCM)的主要組件。雖然有些架構的LED與驅動器電子器件位于同一模塊上，但本方案的LED設于驅動器控制模塊的一個獨立LED模塊上。
圖1：一種通用型汽車LED照明系統架構
為了識別LED的批次，通常要采用一個篩選電阻或編碼電阻。通過測量該電阻的值，LCM可以確定應向LED提供的確切電流量，以確保達到具體功能的光輸出要求。
LCM從車身控制模塊接收功率和控制信號。其中往往包括用于提供動力的電池和地電源。有些架構含有來自車身控制模塊的一條控制線路，通過其中的控制信號來改變LED串的功能。例如，當用同一LED串來充當日間行駛燈和停車燈時，就需要控制信號來選擇所需功能。更先進的架構采用CAN網絡來控制照明，因而采用一條CAN總線電纜來確定具體功能。
為了對來自LED模塊和車身控制器的這些控制信號進行處理，LCM有時會采用一個微控制器。該微控制器可以讀取這些控制信號，并對驅動器IC進行相應的配置。這有利于增加LCM的靈活性，使其可以驅動任意LED配置，從而提高驅動器控制板在不同汽車平臺中的重復利用價值。
驅動器電路本身的主要功能是為LED串提供受控電流。該電路可以采用不同的架構，比如線性調節器或開關調節器。然而，隨著功率水平的增加，效率變得越來越重要，因而通常采用開關調節器。這些轉換器可以采用升壓、降壓或降壓/升壓拓撲結構。每種拓撲結構都有其自身的優勢和不足，與輸出靈活性、效率和系統成本相關，具體應用取決于具體設計。
在確定采用哪種拓撲結構時，必須考慮以下事實：電池向LCM提供的電源電壓的變化范圍非常大，低至6V(現代起止發動機的冷啟動)，高達24V。就如多數汽車制造商堅持的那樣，在這些條件下，外部照明功能應能正常運行，因此，驅動器電路必須能在如此寬的輸入電壓范圍內向LED 串提供相應的輸出電壓/電流，以驅動LED。在這些要求下，經常采用降壓/升壓拓撲結構。
另外，隨著照明控制模塊向通用型不斷發展，降壓/升壓轉換器拓撲結構成了首要選擇，因為這種結構在輸出電壓方面具有最大的靈活性，不受輸入電壓影響，有效地彌補了不同拓撲結構在效率方面的微小差異。
如前所述，LCM為LED提供PWM電流。然而，為了避免該PWM電流使LED光發生肉眼可見的閃爍，一般采用200Hz以上的PWM頻率。 PWM占空比也可以發生變化，以根據所需功能(如日間行駛燈或停車燈)向LED串提供不同的平均電流。
可見，燈光控制模塊必須能將來自車身控制器的輸入功率轉換成頻率超過200Hz且具有相應占空比的PWM電流，以便向LED提供適當的平均電流，從而實現所需要的功能。
采用DC/DC開關調節器拓撲結構同樣需要確保控制模塊不輻射且不受電磁干擾。因此，需要采用正確的電子器件設計和電路板布局，以避免這種干擾。
在圖1的示意圖中，LED與驅動器控制模塊相互獨立，二者由一個連接器相連。這種架構要求對LED進行保護，防止其電池或地引腳因連接器故障而意外短路，從而避免LED和驅動器電路遭到損壞。
除了短路條件以外，LCM還需具備檢測LED故障的能力。其中包括檢測LED的開路故障和短路故障。LED串中的單個LED發生開路故障時，檢測起來相對容易，但短路故障的檢測更具挑戰性。單個LED正向電壓的內在擴散性在較長LED串中積聚時，會變得非常明顯。這增加了檢測短路發生時間的難度。當LCM檢測到故障LED時，可能同時需要將診斷信號發回車身控制模塊，以便提醒駕駛員。
這就需要采用燈光控制模塊，以便提供所有上述功能，同時達到汽車工業標準的嚴格要求。這就意味著，該模塊和相關組件必須通過符合AEC-Q100 標準的汽車認證。汽車照明被認為是一種事關安全的重要功能，因此，其可靠性是重中之重。
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LED驅動設計解決方案
從上述各項要求可以看出，挑戰在于如何設計一種解決方案，能在降低系統成本的同時提供所需的功能、靈活性、系統可靠性和集成度。
一種可能的解決方案是采用恩智浦半導體提供的ASL1010PTK驅動器IC。ASL1010PTK驅動器IC集成了汽車LED燈必需的核心功能，是一種緊湊型一體化解決方案，且無需增添額外部件。對于LED模塊設計而言，有利于降低成本、增強美感、提高可靠性。
此外，這一系統解決方案具有極高的靈活性，不受汽車平臺和LED配置的限制，而且無需重新設計PCB電路板。集成式設計免除了不同平臺的冗余功能以及對外置微控制器的需要，從而將系統成本控制在較低水平。
ASL1010PTK驅動器IC采用降壓/升壓拓撲結構，利用標準汽車電池電壓即可安全驅動多達20個LED燈；輸出電壓極其靈活，范圍為6V至 60V，支持目前市場上的各類LED，非常適合驅動汽車應用中的高亮度LED。
圖2中的示意圖展示了一種驅動器電路的典型基準電壓設計。
圖2：典型應用示意圖(采用面向汽車前部照明的ASL1010PTK)。
由于驅動器IC集成度很高，因此應用設計在只需極少的外部組件的同時，還能維持系統的靈活性。在圖2所示的應用示意圖中，通過少量組件就實現了溫度反饋功能，可控制LED的溫度和性能；故障檢測功能，可在LED出現故障時提供反饋；短路保護功能，使LED和驅動器IC免受電池和地引腳短路影響；靈活的電流選擇和PWM編程功能；可調LED內部PWM產生功能，允許同一LED燈同時用作日間行駛燈和停車燈。LED欠壓和過壓保護。
借助這款尺寸小、散熱性能良好的器件(HVSON14)，驅動器IC可為LED串提供最高1A的電流。由于采用了高精度的集成電流源，該驅動器 IC可以有效消除任何LED紋波電流，無需添加額外的外部組件。
本文小結
近年來，LED在汽車領域的應用呈大幅增長之勢，究其原因在于LED具有無與倫比的設計靈活性、更長的使用壽命和更低的功耗水平。LED本身的性能也得到了大幅提升，增加了其在汽車應用領域的可用性。
隨著LED應用的不斷增多，我們還需要一種更加高效、更加穩健、更具成本優勢的電子器件和驅動器IC，以便使LED的優勢在汽車應用中得到充分發揮。
基于一種通用型LED照明系統架構，我們探討了電子控制裝置需要的特性，其中包括LED散熱管理、驅動不同LED配置的靈活性以及具有成本優勢的系統設計等。
為了滿足這些不同的要求，我們提出了一種完全集成且非常靈活的汽車LED驅動器IC解決方案。ASL1010PTK為電路的設計提供了極大的便利，將外部組件的數量減至最少，同時還能提供驅動汽車LED所需要的必要功能，并可在系統層次維持較大的靈活性。
