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创新车用LED及驱动器提升汽车安全与舒适性

时间:2021-02-20 作者:Gina Roos,Electronic Products主编 阅读:
除了使用寿命长、高能效,以及控制光源的能力,LED照明还由于具有高亮度,能让汽车驾驶更安全,因而明显在汽车业中取得进展…
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除了使用寿命长、高能效,以及控制光源的能力,LED照明还由于具有高亮度,能让汽车驾驶更安全,因而明显在汽车业中取得进展。LED灯可以安装或整合在整个车辆四周,包括车头、车尾、侧面甚至顶部。在车子的第三煞车灯/停车灯,以及方向灯中使用LED已经有一段时间了,现在车尾组合灯(RCL)和雾灯也开始使用LED。

为了提高安全性,汽车制造商开始在其照明系统中置入更多智能。其中自适应智慧头灯(ADB)技术可以根据环境和“动态光影”照明,动态地调整远光灯。例如在驾驶舱中的驾驶辅助提示和车辆状态信息,以及提供安全警示、先进导航和盲区警告的灯条。

根据Yole Développement (Yole)的资料,汽车照明正成为自动驾驶发展的重要节点,能够在整合本地摄影机、雷达和光达(LiDAR)等传感器时发挥关键作用。

Yole的“先进前照明系统”(Advanced Front-Lighting Systems)报告指出,汽车数字化是汽车发展的大趋势,如今正朝向电动车和自动驾驶车的方向发展。这包括利用新的数字途径提供安全性、舒适性和信息服务,以及随着汽车产业朝向为所有用路人提供更有效通讯的方向前进,外部照明变得更加重要。图1针对手动驾驶与先进辅助驾驶系统(ADAS)这2种行车架构进行了比较。

图1 手动驾驶与ADAS驾驶系统架构比较。(图片来源:Yole Développement)

Yole指出,随着成本的降低,以及效率、亮度和封装尺寸的改善,LED正迅速普及,目前LED头灯在新兴市场中已经商业化,几乎所有汽车制造商和Tier One零件供货商都已开发出完整的LED头灯系统。该报告还发现,目前每辆车使用的先进LED矩阵头灯中使配备超过50个LED,并已广泛应用于高档汽车领域。

LED还可用于车辆内部照明,例如仪表板、车载信息系统、门灯、阅读灯、温度控制系统和音频/视讯系统。

根据市场研究机构LEDinside的信息,有些供货商正在开发用于室内照明的RGB LED,实现全彩混合和动态环境等功能,并成为智能照明发展的趋势之一。

本文分别探讨车用照明的10种创新LED和LED驱动器。

LED

随着越来越多的汽车头灯采用LED,欧司朗光电半导体(Osram Opto Semiconductors)等LED制造商持续努力提高亮度、能效和热性能。该公司已经发布了几款具有更高驾驶安全性的下一代LED产品,包括最新版的Oslon Compact PL和Oslon Black Flat S LED。

欧司朗将推出新一代单芯片至四芯片版Oslon Compact PL系列。与之前的产品一样,其陶瓷组件有一个绝缘垫,使封装更易散热。该产品可提供更高的电流,其中单芯片版本在电流1A、芯片面积1mm²时可实现395流明(lm)的亮度。

该产品尺寸仅为1.9 × 1.5 × 0.73mm,适用于ADB系统和空间极为紧凑的系统设计。ADB头灯(也称为智能头灯)可为驾驶人提供更好的视野。

欧司朗还扩展了其Oslon Black Flat S系列产品,提供单芯片和双芯片版本。该组件采用特殊的导线架,具有最高的对比度值( >1:200)和极低的热阻,因此允许更高的电流。其单芯片版本在1A时可达到395流明。其UX:3芯片的照明表面是正方形,让头灯制造商更易于进行光学设计。

由于在1A时可提供高达130lm的效率值,欧司朗相信未来车头灯的散热片可以做得更小,甚至无需使用散热片。新一代Oslon Compact PL和Oslon Black Flat S的封装尺寸不变。

三星电子(Samsung Electronics)也升级了两款车用LED,以提供更高的光效。据该公司称,其第二代C系列和FX系列提供133lm/W光效,是光效最高的大功率汽车LED之一(图2)。这些封装可以在低压时提供更大的亮度,采用更小的散热片,使车灯设计更轻巧,从而降低了车灯制造商的系统成本。

图2 三星的FX系列LED。(图片来源:三星电子)

三星C系列的目标应用是外部照明灯,例如车头灯,一般需要更大的光通量和高可靠性,尤其是在恶劣的工作条件下。C系列包含多达四种多芯片设计,可提供高达1,560lm的光通量,其陶瓷基板的热稳定度和高耐用性更进一步提高了每个封装的可靠性。

此外,三星并透露C系列采用独特的荧光混合物,较其前一代倍增了对比度最高达到1,000:1,从而大幅扩展了驾驶人的视野。C系列提供各种光通量和尺寸可供选择。

三星还称其FX系列具有更高可靠性,采用覆晶芯片封装,尺寸为1.8 × 1.4mm。FX LED体积精巧,实现更流畅的设计,可用于日行灯(DRL)、抬头显示器(HUD)以及下一代ADB。

首尔半导体(Seoul Semiconductor)推出下一代晶圆级超高亮度(UHL)系列WICOP LED——无需封装直接将LED芯片焊接在PCB上,专用于电动车(EV)头灯。与其他LED相较,使用新型WICOP UHL LED的EV头灯功耗降低达20%,散热性能提高40%,预计2021年开始量产。图3显示WICOP UHL LED技术。

图3 首尔半导体的晶圆级WICOP UHL LED技术。(图片来源:Seoul Semiconductor)

电池功耗是决定单次充电行驶距离的重要指标之一,因此降低汽车组件的整体重量以降低功耗至关重要。

在车头灯中采用此晶圆级WICOP UHL技术,有助于使散热片的重量减少75%。此外,产品的LED发光区域非常小,约为0.5mm2,可实现细光束头灯设计。

首尔半导体开发的晶圆级WICOP产品是该公司首款专利无封装LED技术。该公司表示:“覆晶封装芯片技术必须在半导体制程中进行接合,而WICOP LED则可以在一般的基底接合过程中轻松进行表面黏着(SMT)。”

亿光电子(Everlight Electronics)已在其智能LED系列中嵌入了智能IC驱动器,透过控制器更有效地管理色彩并调整亮度,用于汽车内部照明。其智能多功能汽车RGB技术(Smart Multi-Function Automotive RGB Technology,EL SMARTLED),让汽车制造商可在车辆内装中使用多种颜色。亿光电子是ISELED联盟的成员,该联盟致力于开发适用于汽车内装的智能LED技术并改善用户体验。

EL SMARTLED (XI3040-RGBIC0251L-AM)将驱动器IC整合到RGB-LED封装中,以控制三阶SDCM (MacAdam Ellipse)中的组件校准色差。该整合的驱动器IC透过温度检测红光LED以控制热失控。EL SMARTLED透过LIN接口串联多达4,000个LED,传输速度高达2Mbps,从而提供比传统RGB-LED更好的色彩均匀性。

智能LED采用SMD封装,尺寸为3.0 × 4.1 × 0.9mm。汽车内装应用包括内部照明、车顶阅读照明和仪表板显示器。

同样地,Dominant Opto Technologies也推出了智能LED系列——智能嵌入式数字驱动器LED (seddLED)。单个封装中整合了用于汽车环境照明的RGB LED、LED驱动器,以及先进的ISELED通讯协议。

该公司seddLED3.0系列的第一个产品是A3A-FKG-1400-1,预校准至D65白点,亮度为1,400mcd,色容差小于3SDCM;其优点在于可透过控制LED峰值电流(PWM)、波长校准和温度补偿来微调色彩和强度的变化。

第二款产品是A3A-FKG-RGB-1,预校准至单独的红光、真绿和蓝光,亮度分别为400mcd、1,600mcd和250mcd。该公司还推出seddLED3.4系列的A3A-FKG-1400-1产品,预校准至D65白点,亮度为1,400mcd,色容差小于3SDCM。

LED驱动器

为了充份利用LED的优势并实现最高效的光输出,LED必须搭配适用的LED驱动器。本文将介绍五款LED驱动器。

Diodes提供的AL8843Q和AL8862Q DC/DC降压转换器(图4)可驱动汽车内装和外部LED灯使用的单个LED或多个LED灯串,应用于DRL、雾灯、方向灯和煞车/停止灯等汽车照明应用。两款组件均采用SO-8EP封装,符合AEC-Q100 1级标准。

图4 Diode的DC/DC降压转换器。(图片来源:Diodes)

供电电压范围为4.5V~40V的AL8843Q和供电电压范围为5V~55V的AL8862Q降压转换器可以承受更大的电压变化,例如低启动或停止-启动操作时负载突降,LED的驱动电流并不至于降低。其安全功能包括过热保护,以及LED短路和开路保护。AL8862Q还整合了开漏故障指示接脚。

DC/DC降压转换器支持0%~100%的PWM全级调光,可透过0.4V~2.5V模拟输入进行控制,也可由外部微控制器(MCU)或主处理器产生的PWM信号加以控制。两款组件均整合了一个功率MOSFET:40V/0.2Ω型号用于AL8843Q,55V/0.4Ω型号用于AL8862Q。此外还配备迟滞模式降压型LED驱动器控制功能,简化了反馈回路,工程师只需使用四个外部组件即可实现高度稳定的降压转换器设计。

安森美半导体(ON Semiconductor)发布了一系列简化先进车辆照明的4款组件,可确保更高的道路安全性。新系列适用于低功率固态照明,包含两个LED驱动器(NCV7683和NCV7685),以及两个电流控制器(NCV7691和NCV7692)。图5所示为NCV7685 LED驱动器。

图5 安森美适用于低功率固态照明的LED驱动器。(图片来源:安森美)

安森美半导体指出,为了提高道路安全性,汽车制造商不再简单地使用“开/关”(on/off)控制,而是转向更进复杂的系统,在RCL、方向灯、雾灯和其他外部调节LED灯簇中导入运动和可变强度功能,为其他道路用户提供更高能见度的警告。

NCV7685和NCV7683分别整合了12个和8个线性可编程电流源,能够以每通道高达100mA的电流驱动LED灯簇。其配置选项包括菊炼、照明级控制、电流调节、循序功能,以及信道组合。

NCV7685采用具有CRC8错误检测功能的8位I2C接口,透过PWM单独调整输出电流,并利用专用诊断接脚完成先进诊断(包括检测LED灯串开路或欠压等)。根据不同的设计要求,NCV7685还可由DC/DC控制器和/或LDO稳压器供电。

NCV7691只使用一个外部NPN双极晶体管和一个回馈电阻,可提供宽广的电流调节范围来驱动一个或多个LED串。该驱动器可在多信道系统中添加单信道,并透过其PWM输入支持调光功能。NCV7691利用开路、短路和热关断功能来实现安全操作。其后衍生的NCV7692具有更短的响应时间,可降低开路负载检测的阈值。

针对新兴智慧汽车照明应用,Melexis利用其MeLiBu (Melexis Light Bus)高速通讯IP开发了RGB-LED驱动器,可实现汽车内装的智能动态光影照明。通讯接口可让汽车制造商利用车舱中的动态光影功能,例如驾驶辅助提示和车辆状态信息,以提高汽车安全性。灯条则可用于安全警告、先进导航,以及盲点警告。

MLX81116是一款全整合式智能汽车LED驱动器,提供多个LED驱动器之间的高速通讯,以实现多颗LED灯的动态光影照明应用。它包含用于LED驱动和通讯的所有必需组件,提供>250 RGB LED的无延迟实时更新。

Melexis表示,RGB LED灯条可以透过色彩编码、色彩变化和闪烁序列与驾驶人进行通讯,但目前仍然存在挑战,例如让灯条中所有LED的频色保持一致,并确保其同步改变。

为了解决了这些问题,Melexis推出其高速通讯接口IP——MLX81116 (图6)。MeLiBu可在灯条中单独控制每一个LED以产生照明效果,同时实时补偿由于环境变化引起的任何LED色彩漂移。

图6 Melexis全整合式智能汽车LED驱动器,提供多个LED驱动器间的高速通讯。(图片来源:Melexis)

MeLiBu通讯接口基于CAN-FD物理层,可确保其稳定性、可靠性和高速率(高达2Mbps)。该接口支持专用光学参数,可实现1% Delta UV的色彩混合精确度,确保灯条中各个LED没有明显的差异,而且无需额外的外部组件即可提供温度补偿。

MLX81116驱动器IC具备宽广的调光范围,可以针对白天和夜间驾驶进行亮度调节。Melexis表示,由于该驱动器使用了CAN-FD物理层,因此更容易符合电磁兼容性(EMC)法规,可满足汽车ISO 26262的功能安全要求,最高达到安全完整性等级B (ASIL B),并具有低EMI辐射和高抗干扰性。

ISSI子公司Lumissil Microsystems的IS3xFL3265x系列LED驱动器(图7)也专门针对汽车动态光影照明,其高压LED通道可减少EMC问题。

图7 Lumissil专为汽车动态光影照明打造的LED驱动器。(图片来源:Lumissil Microsystems)

这些LED驱动器专为严苛及高标准的应用环境而设计,整合了缓存器,可透过故障检测和报告来调整热保护级,并可在-40℃~125℃的宽温度范围内运作,适合需要利用高压LED输出来支持每个信道堆栈多颗LED的汽车和工业应用。

据Lumissil表示,这些驱动器支持18个高压LED输出,无论是进行RGB彩色照明还是白光照明,均可单独对其进行配置以实现最佳光输出。利用高压输出,设计工程师可将多个LED堆栈在同一信道,以便在给定LED电流下提高光输出。

这些LED驱动器采用灵活的总线架构并内建EMI抑制技术,可用于汽车内装和外部LED照明。选择相应的组件(I2C总线为IS32FL3265A,SPI总线为IS32FL3265B),可以支持I2C或SPI总线协议。两种总线接口都支持高压输出、单信道(区域)照明控制、EMI抑制、故障保护功能,并符合AEC-Q100标准。

对于汽车内装环境照明,可以将18个高压信道配置为6个RGB区域或18个高亮度照明区域。对于外部应用,可以将18个单独控制的LED信道进行配置,以产生「迎宾灯」或动态尾灯的照明效果。

罗姆半导体(Rohm Semiconductor)的BD18336NUF-M超小型高输出线性LED驱动器专用于汽车的各种插口型LED灯,包括DRL和尾灯,即使在单芯片上电池电压下降的情况下也能提供稳定的照明。它还有助于缩减最新的插口型LED灯尺寸。

这种插口型LED灯像LED灯泡一样方便更换,且易于维护,因而引起广泛的关注。但是由于插槽的尺寸很难缩减,从而影响设计的灵活性。

BD18336NUF-M利用电流旁路功能防止LED熄灭,并透过切换LED电流路径始终保持至少30%的亮度,即使在供电电压从13V降至9V时也是如此。Rohm称这是首款整合电流旁路功能的单芯片,可在电池电压下降时实现稳定照明。

此外,BD18336NUF-M在3.0mm2超小型封装中实现了600mA的高输出,与传统解决方案(包括外部电路)相比,安装面积减少了约30%,因而可安装在小型插口型LED灯的10mm2基底上。由于内建电流旁路,使其所用的外部组件比传统设计减少了七个,从而缩减了安装面积。

BD18336NUF-M还具有抑制LED发热的功能,支持容易发热的白光LED,使其可用于DRL和其他利用白光LED的车辆照明系统中。

责编:Yvonne Geng

(参考原文:Top 10 LEDs and drivers for automotive,by Gina Roos)

本文同步刊登于EDN Taiwan 2021年2月刊杂志

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