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应用于汽车内部及外部照明的 LED 驱动器方案概览近年来，随着 LED 在光效及成本等几乎各个方面的持续改进，其应用领域不断拓宽，从传统的便携设备背光向中大尺寸 LCD 显示器/液晶电视背光、汽车及通用照明等领域不断迈进。本文将专门介绍适合于汽车照明应用的各种 LED 驱动器方案，并探讨一些典型应用。LED 为汽车照明应用提供众多优势LED 在汽车中的应用领域非常广泛，但可以简单归纳为内部照明及外部照明(参见图 1)。外部照明有如前照灯、尾部照明等，内部照明包括内部便利及舒适照明和仪表盘背光等。图 1：多种多样的汽车 LED 照明应用推动汽车 LED 照明应用的因素很多。以前照灯为例，采用 LED 作为光源拥有众多优势：利于灵活或新颖的造型设计LED 物理尺寸很小，能用于开发极紧凑、极薄的模块。与卤素灯和氙气灯相比，多串 LED 模块需要更小、更简单的透镜和光扩散片硬件。且多个LED 光源的光更易于导向，大大减轻工程设计对造型的影响。光强度及能效不断提升LED 光强度处于极快的提升曲线上，呈现出每 18 至 24 个月光通量将会翻一番的趋势。LED 光输出已经超过卤素灯，未来 LED 实际光效性能还将能氙气灯相匹敌。高可靠性及长寿命只要为 LED 前照灯模块进行有效的热管理以保持较低的结温，并保护其免受开关导通/关闭、调光期间可能出现的电流尖峰和电池脉冲的影响，期望它们在汽车整个寿命周期内持续使用就并非不切实际。显著节能与其它方案相比，LED 前照灯使用的燃料/能源要少得多。使用高能效智能电源技术/芯片，而非需多个外部元件的一般 IC，可以更节能。因此，LED 在汽车照明中的应用日渐增多，且被众多汽车制造商当作设计卖点。应用于汽车照明的 LED 驱动器方案比较LED 在汽车照明中的应用多种多样，不同应用对 LED 电流的要求又各不相同，故需要结合 具体应用要求，选择适合的 LED 驱动器方案。电子技术 开关电源 电子工程 http:/ee.ofweek.com/LED 驱动方案的一项主要功能是在多种工作条件下稳流，而不论输入条件如何及正向电压如何变化。驱动方案必须符合能效、外形因数、成本及安全性方面的应用要求。同时，所选方案必须易用及足够强固，从而适应特定应用的严格环境。汽车应用中的典型 LED 驱动器方案包括电阻、线性 LED 驱动器、开关 LED 驱动器及创新的照明管理 LED 驱动器等。一般而言，根据应用中 LED 电流大小的不同，在 20 到 200 mA的低电流应用中，可以选用分立元件(即电阻)或线性驱动方案；在 200 至 500 mA 的中等电流应用中，可以选用线性或开关驱动器方案；而在大于 500 mA 的大电流应用中，一般选择开关驱动器方案。实际上，电阻是最简单、最低成本的 LED 限流方案，但是它们并不“稳流”，只是在 LED正向电压变化及输入电源电压变化并导致电流变化从而引起 LED 亮度变异时，简单地限制LED 最大电流。虽然这种方案的成本低，但能效也最低，且存在着 LED 筛选成本及热失控等问题。CCR 是一种比电阻方案性能更高但成本又低于线性驱动器或开关驱动器的方案，适合于电流小于 200 mA 的低电流 LED 照明应用。CCR 廉价并强固，在宽电压范围下提供恒定亮度，在输入电压较高时保护 LED 免受过驱动，且在低电池电压条件下仍提供较高亮度。这种方案能够减少或消除LED 筛选产生的库存，使方案总成本更低。CCR最大工作电压达 50 V，能够承受电池负载突降。CCR 提供 SOD123、SOT123 及 DPAK 等不同封装，能在严格热环境下工作(125)，负温度系数特性在高环境温度条件下保护器件本身及 LED。此外，CCR 不产生电磁干扰，易于设计。图 2：双端及三端 CCR 电路图。线性稳压器支持多条线路并行配置以扩散热耗散，提供达2%的稳流精度，无电磁干扰(EMI)问题，成本中等，但能效也较低。而凭借高能效及灵活等优势，开关稳压器广泛使用。这种方案成本更高，技术更复杂，但也提供显著优势，如支持任何类型的输入电压与输出电压关系，且根据输入/输出条件，能效能够高于 90%。与线性驱动器不同，它们对 EMI 很敏感，给设计人员带来需要注意的设计约束。 工控 PCL 控制系统 低压变频器 http:/gongkong.ofweek.com/值得一提的是，除了这些常见的 LED 驱动器方案，安森美半导体推出了高集成 LED 照明管理集成电路(IC)。这些照明管理集成了多种 LED 驱动及控制功能，相当于一个完整子系统，能够承受高达 125的环境温度，用于汽车前照灯、组合尾灯及最新的高级前照灯系统(AFS)等应用，后文将会详细论及。典型汽车应用 LED 驱动器产品及其应用1) 适合低电流 LED 应用的 CCR安森美半导体运用专利自偏置晶体管(SBT)技术开发出了 NSI45 系列 CCR(参见图 2)。这系列 CCR 包含双端固定输出和三端可调节输出两种类型，电流等级涵盖 10 至 180 mA。其中三端可调节输出 CCR 包括电流 30 至 80 mA(SOT-223)及 60 至 150 mA(DPAK)等不同选择，能够用于满足特定电流设置要求。CCR 易于设计，适合高边(High-side)及低边(Low-side)应用；既能用单个CCR 驱动 1 串或多串 LED，也能并联多个 CCR 驱动一串或多串 LED(详见参考资料 1)。图 3：CCR 汽车中央高位停车灯(CHMSL)应用电路图。2) 针对背光、内部照明控制及尾灯等应用的线性 LED 驱动器在线性驱动器方案，典型产品包括安森美半导体的 NUD4001 及 NUD4011 线性 LED 驱动器，两款器件的额定输入电压范围分别为 6 至 30 V 和 48 至 200 V，额定输出电流分别为高达 500 mA 和高达 70 mA，在汽车中的应用领域包括尾灯、方向灯、刹车灯及车顶灯等。这两款器件的设计均用于在交流-直流应用中替代分立方案，设计人员能够利用外部电阻针对不同 LED 阵列设置驱动电流。不同的是，NUD4001适合于 5 V、12 V 或 24 V的低压应用，而 NUD4011则最高支持 200 V 电压。图 4 显示的是 NUD4001在汽车停车灯中的应用。图 4：NUD4001 在汽车停车灯中的应用示例。而在要求驱动大电流的高亮度 LED 汽车照明应用中，可以采用安森美半导体的 CAT4101高亮度线性 LED 驱动器。CAT4101 能驱动一串电流高达 1 A 的高亮度 LED，且满载时的压降仅为极低的 0.5 V。这种简单方案不要求电感，消除开关噪声，将元件数量减至最少，并简化设计。3) 涵盖降压、升压及降压-升压等不同配置的 LED 开关驱动器驱动 LED 的开关稳压器的能效一般介于 50%至 90%之间，涉及降压、升压及降压-升压等不同拓扑结构，讲究 EMI 控制方法，主要用于汽车内部照明、停车灯、雾灯、日间行车灯及侧面标志灯等应用。安森美半导体应用于汽车 LED 照明的开关稳压器产品如表 1 所示。其中，典型升压控制器有如 NCV8871。这是是一款带多功能启用(Enable)/同步(SYNC)引脚、能以外部时钟同步的升压控制器，用于驱动外部 N 沟道 MOSFET。这器件可在 3.5 V至 40 V 的宽电池电压范围条件下工作，专门用于-40至 150结温，在工作温度条件下提供2.0%的输出电压精度，并提供低关闭电流(典型值小于 10 A)，帮助降低电能消耗。在降压开关驱动器方面，包括 NCV8842、NCV8843 及 NCV51411 等产品，适合于车身/远程信息系统等应用。NCV8842/3 是带同步功能的 1.5 A、170/340 kHz 降压驱动器，支持4.5 V 至 40 V 输入电压，而输出电压可从 1.27 V 开始编程设定。同步引脚功能用于改善 EMI性能。NCV5141x(如 NCV51411 及 NCV51413)是 CS5141x 针对汽车应用的版本，提供高能效，在 9 到 15 V 输入电压条件下，以 700 mA 电流驱动 2 颗正向压降为 3.5 V LED 的能效基本高于 85%。另一款支持 4.5 至 45 V 输入电压的汽车级同步降压控制器甚至在宽负载电流条件下提供高于 93%的能效，且在休眠模式下的最大静态电流仅为 1 A。表 1：安森美半导体应用于汽车 LED 照明的开关稳压器产品此外，安森美半导体还提供多款能用于汽车 LED 照明的多拓扑结构开关驱动器，包括NCV33063AV、NCV3065 及 NCV3163 等。其中，NCV33063AV 和 NCV3065 均支持最大1.5 A 电流，能够配置为降压、升压、SEPIC 或降压-升压等拓扑结构，适合汽车内部照明应用。NCV3065 亦可用于内部照明，针对的是对成本非常敏感的应用，如果要求更高电流，还能配置为控制器。NCV3163 则是一款最大电流 3.4 A 的单片开关稳压器，使系统设计人员能够以最小数量的外部元件应用降压、升压或降压-升压(电压反转)拓扑结构。4) 针对前照灯及组合尾灯等应用的高集成度照明管理 IC汽车的前照灯包括不同细分领域，如日间行车灯(DRL)、近光及远光灯、信号灯和雾灯等。前照灯中最早应用 LED 的是日前行车灯。而随着高亮度 LED 的成本持续降低及性能持续提升，越来越多的新车设计正更广泛地将 LED 用于其它前照灯领域，如近光及远光灯、信号灯及雾灯等，甚至利用 LED 提供光束整形、路面聚光(motorway spot)等新兴功能。一般而言，汽车前照灯要求支持从单个 LED 到多串 LED，电压可高达 60 V；此外，还要求支持脉宽调制(PWM)调光(如用于示廓灯)、高集成度、高能效、LED 串低电磁辐射、集成诊断及通信接口等。安森美半导体针对 LED 汽车前照灯系统开发了 NCV78663 电源镇流器及双 LED 驱动器。NCV78663 是先进的高可靠性、高能效的系统级芯片(SoC) LED 驱动器，支持达 2 A 电流，提供高于 90%的总能效，驱动高达 60 V 电压的多串 LED，能以 PWM 调光维持色温及控制平均电流，使设计人员能够以一颗高集成度的 SoC 控制远光灯及近光灯、日间行车灯、转向指示灯及雾灯，所需外部元件极少。这器件通过 SPI 接口与外部微控制器通信，在上电后动态地控制系统参数、检测 LED 工作状态并反馈诊断信息。图 5 显示的是 NCV78663 在先进的汽车前照灯应用中的电路图。图 5：a) 汽车 LED 前照灯应用图例； b)基于 NCV78663 的汽车 LED 前照灯应用电路图。对于汽车尾灯应用而言，可以根据应用需求的不同，采用 CCR 这样的低成本低电流 LED驱动方案，也可以采用提供更高性能、更高能效等级的高集成度等级解决方案，如安森美半导体的高集成度线性电流稳流及控制器 NCV7680。这器件包含 8 路线性可编程恒流源，其设计用于汽车组合尾灯的稳流和控制，每通道最高可输出 75 mA 的 LED 驱动电流。NCV7680 由于功能高度集成，使工程师能轻松地实现两个亮度等级，其中一个用于停车，另一个用于尾部照明。如果需要，也可应用可选的 PWM 控制。设计人员仅需要一个外部电阻就可以设定所有通道的输出电流。工作温度范围为40至+150。图 6：a) LED 组合尾灯图例；b)NCV7680 在 LED 组合尾灯中的应用电路图。GreenPoint网上设计仿真工具加快汽车 LED 照明设计安森美半导体身为应用于高能效电子产品的首要高性能硅方案供应商，针对汽车 LED 照明应用提供完整的系统方案，包括电源、MOSFET、整流器、保护、滤波器及热管理产品等。此外，为了帮助设计人员加快 LED 照明设计，安森美半导体还提供 GreenPoint网上设计仿真工具，让设计人员坐在工作台前，即可以轻松地通过“选定 LED 驱动器”、“确定设计要求”、“自动产生设计电路图”、“仿真及验证”、“产生物料单及报告”、“下载报告为 PDF文件”及“保存文件和分享”等几个步骤，大幅缩短开发时间，加快产品上市进程。这网上设计工具目前已经支持多款安森美半导体的高能效 LED 驱动器产品的应用设计，其中支持的汽车应用 LED 驱动器包括 NSI45 系列的多款器件，后续还将支持更多产品。总结：随着 LED 性能不断提升性能及成本不断降低，在汽车内部及外部照明中的应用领域越来越宽。设计人员需要针对具体应用选择适合的 LED 驱动器方案，如线性恒流稳流器、线性稳压器或开关稳压器等。安森美半导体身为应用于高能效电子产品的首要高性能硅方案供应商，提供应用于汽车照明、通过 AEC Q100 认证、涵盖从低电流到大电流的完整 LED 驱动器产品线，其中还包括新近推出的系列高集成度、高能效的照明管理集成电路，方便设计人员根据具体应用要求，选择适合的汽车 LED 驱动器解决方案。供稿：安森美半导体参考资料：1、线性 LED 驱动器方案概览及其典型应用，安森美半导体，见相关搜索引擎结果2、 汽车方案选型手册，www.onsemi.cn/pub/Collateral/BRD8044-D.PDF，安森美半导体3、“汽车应用 LED 照明产品”网上研讨会演示资料，安森美半导体4、LED 照明应用专区，www.onsemi.cn/PowerSolutions/content.do?id=151025、LED 驱动器网上设计资源中心，thinkonsemi.cn/LED