設(shè)計(jì)散熱更佳的多通道動態(tài)車燈
汽車領(lǐng)域?qū)?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/2364/" target="_blank">電氣化的推動讓各種具有獨(dú)特功能的汽車不斷出現(xiàn)在人們的視野中,而且其增長速度令人驚異。過去笨拙且功能單一的車燈也正在被新穎的、環(huán)繞汽車前部、后部或側(cè)面的細(xì)長型設(shè)計(jì)所取代。不斷超越傳統(tǒng)的照明或信號傳遞意味著未來車燈的設(shè)計(jì)將面臨更多的挑戰(zhàn),例如顯示復(fù)雜的模式和算法,與此同時還要應(yīng)對散熱管理、外形尺寸和成本方面前所未有的限制。
自適應(yīng)前照燈就是其中一項(xiàng)新設(shè)計(jì)。這種燈也稱矩陣大燈,它用大量 LED 矩陣代替了以前的燈泡,可以明顯改善散熱并增強(qiáng)光束控制。其矩陣中的每個 LED 都可獨(dú)立控制,因此燈光設(shè)計(jì)可以更加新穎、更加吸引人,同時它還能夠改善駕駛員的視野并根據(jù)環(huán)境來調(diào)整光束。通過關(guān)閉不必要的照明元件并保持其余部分完全點(diǎn)亮,前照燈可以只照亮駕駛員需要看到的地方,而不會分散其他道路使用者的注意力。
本文將介紹電氣工程師在設(shè)計(jì)這些新型照明產(chǎn)品時所面臨的挑戰(zhàn)。文章將側(cè)重于說明如何正確選擇用于多光束前照燈的 LED 驅(qū)動器,并闡述自適應(yīng)反饋控制 (AFC) 對散熱管理的改善。我們將通過一個多光束前照燈的設(shè)計(jì)對這些問題進(jìn)行解釋,從上層的系統(tǒng)概述,直到 LED 驅(qū)動器的選擇。
矩陣前照燈
多光束前照燈主要包含三個組件:LED、LED 驅(qū)動器和預(yù)穩(wěn)壓器(降壓變換器)
首先,LED 矩陣可以照亮道路布局。由于 PCB 尺寸的規(guī)格與散熱限制,本文采用的系統(tǒng)包含了3 行、 30 列的 84 個 LED。其次,為了適應(yīng)環(huán)境光線,系統(tǒng)中的 LED 必須由 LED 驅(qū)動器進(jìn)行控制;在本例中,我們采用了 MPQ7225-AEC1 。最后,由于所有前照燈組件均由汽車電池供電,因此系統(tǒng)采用預(yù)穩(wěn)壓器來降低汽車電池的電壓,使電壓符合 LED 和 LED 驅(qū)動器的規(guī)格。
選擇LED驅(qū)動器
在前照燈的設(shè)計(jì)過程中,設(shè)計(jì)人員會面臨兩項(xiàng)主要限制:PCB 尺寸和散熱。首先,PCB 必須盡可能地小才能裝入前照燈外殼中,這意味著最大限度減少元件數(shù)量非常重要。其次,照明設(shè)計(jì)必須認(rèn)真考慮應(yīng)用的散熱問題,以避免器件過熱并損壞組件。因此,必須根據(jù)系統(tǒng)規(guī)范謹(jǐn)慎選擇 LED 驅(qū)動器。
Bec本文的示例系統(tǒng)需要出色的可擴(kuò)展性,同時需要每器件提供大量通道,因此我們選擇MPQ7225-AEC1作為LED 驅(qū)動器。該驅(qū)動器不僅減少了元件數(shù)量,還縮小了 PCB 尺寸,同時仍具備 LED 的可控性。具體而言,該設(shè)計(jì)采用了6個 MPQ7225-AEC1 器件,每個器件都可提供多達(dá)14 個通道(見圖 2)。MPQ7225-AEC1是一款16 通道 LED 驅(qū)動器,它可以單獨(dú)控制多達(dá) 96 個 LED,當(dāng)然本設(shè)計(jì)并不需要如此多的通道。
圖2: LED 矩陣PCB
除了 LED 驅(qū)動器的可擴(kuò)展性之外,亮度也是照明部件設(shè)計(jì)的一個重要參數(shù)。對多光束技術(shù)而言,每通道都需要有足夠的電流,而且通道之間的串間差異必須有所限制,這樣才能避免 PCB 上的某些部件過熱。MPQ7225-AEC1 是此類應(yīng)用的理想 LED 驅(qū)動器。它允許的每通道 LED 電流 (ILED) 高達(dá) 200mA,而且全溫范圍內(nèi)的精度可達(dá) 5%。本設(shè)計(jì)用于提供前照燈的遠(yuǎn)光燈,因此每通道的標(biāo)稱電流設(shè)置為 200mA。
可配置的電流將有助于管理照明電路板的溫度。當(dāng)電路板溫度升至最大值時,LED 驅(qū)動器必須利用調(diào)光技術(shù)來降低 LED 電流,從而降低板的溫度。MPQ7225-AEC1 提供兩種不同的調(diào)光技術(shù):PWM 調(diào)光和模擬調(diào)光,均可獨(dú)立應(yīng)用于每個通道。
圖 3 顯示了如何將 PWM 調(diào)光應(yīng)用于 2 個不同的通道。通道1的PWM 調(diào)光占空比為50%,通道 2 的PWM 調(diào)光占空比為25%。示波器捕獲通過這兩個通道的電流,以及通道之間 PWM 調(diào)光的差異。 PWM 調(diào)光頻率設(shè)置為 500Hz。MPQ7225-AEC1 提供配置功能,該值還可設(shè)置為 250Hz 或 1kHz。
圖 3:通道1的PWM 調(diào)光占空比為50%,通道 2 的PWM 調(diào)光占空比為25%
預(yù)穩(wěn)壓器自適應(yīng)反饋控制 (AFC)
除調(diào)光以外,照明設(shè)計(jì)中的部分 LED 驅(qū)動器還采用其他技術(shù)進(jìn)行散熱管理。例如,MPQ7225-AEC1 提供自適應(yīng)反饋控制 (AFC)功能,它可以根據(jù)裕量值調(diào)整 DC/DC 變換器的輸出電壓 (VOUT)。這優(yōu)化了整體系統(tǒng)效率與溫度。
圖 4 顯示了MPQ7225-AEC1 中AFC的實(shí)現(xiàn)。它檢測每個通道中的電壓,如果任何一個LED的輸出電壓低于 0.3V,則降壓變換器的 VOUT 增大;當(dāng)電壓超過 0.4V,預(yù)穩(wěn)壓器的 VOUT將降低。
圖4: AFC功能
由于 LED 的正向電壓隨溫度降低,所以較高溫度下的裕量電壓也會增加,這會降低系統(tǒng)效率并讓散熱變糟。但啟用 AFC 功能后,預(yù)穩(wěn)壓器的 VOUT 會在溫度升高時降低,從而優(yōu)化效率和整個系統(tǒng)的行為。 采用 MPQ7225-AEC1 并啟用 AFC功能,設(shè)計(jì)人員將可以改善照明設(shè)計(jì)中的散熱問題(見圖 5)。
圖 5:LED 特性與裕量電壓之間的關(guān)系
F圖 6 顯示了啟用 AFC功能與否的散熱差異。如果 VBIAS 為非固定值,它會根據(jù)裕量電壓而變化;LED 驅(qū)動器溫度則下降 34°C (當(dāng) ILED = 200mA時)。
圖 6:不啟用 AFC(左)和啟用 AFC(右)時的散熱性能比較
其他設(shè)計(jì)考量
對汽車行業(yè)來說,遵循EMC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)非常重要。因此,我們建議選擇具備 EMI降低功能的 LED 驅(qū)動器。MPQ7225-AEC1 即具有三種 EMI 降低方案,本設(shè)計(jì)采用了其中的兩種方案。
首先,通過我們選擇的 LED 驅(qū)動器,設(shè)計(jì)人員能夠在應(yīng)用 PWM 調(diào)光時改變電流脈沖的斜率。在本設(shè)計(jì)中,MPQ7225-AEC1 被配置為具有20μs強(qiáng)制斜率。圖 7 顯示了該斜率如何通過平滑轉(zhuǎn)換和減少尖峰來影響直線電流轉(zhuǎn)換。示波器的通道 1 和通道 2 捕獲具有不同 PWM 調(diào)光占空比的兩個不同通道。 第一個脈沖表明,當(dāng)沒有施加斜率時,脈沖中間出現(xiàn)一個尖峰;但當(dāng)斜率配置為 20μs 時,沒有尖峰出現(xiàn)。
圖 7:大斜率與 20μs 斜率間的比較
其次,設(shè)計(jì)人員可以添加內(nèi)部時鐘的頻譜擴(kuò)展功能。當(dāng)設(shè)計(jì)提供該功能時,內(nèi)部時鐘頻率(及其諧波)周圍的 EMI 噪聲將降低。
最后,LED 矩陣應(yīng)具有強(qiáng)大的管理功能,以在行駛期間迅速、精準(zhǔn)地適應(yīng)燈光設(shè)計(jì)。這就需要外部控制器與LED 驅(qū)動器之間具備快速而可靠的通信。此外,控制器板(做出決策之處)和 LED 板之間可能距離較遠(yuǎn),外部噪聲有可能破壞通信。在這種情況之下,協(xié)議必須不受噪聲影響??紤]到這一點(diǎn),我們建議采用差分接口,例如 CAN。MPQ7225-AEC1兼容 2Mbps CAN 差分接口,因此仍是一個理想的選擇。
通過該通信協(xié)議控制 LED 驅(qū)動器,以在不更改硬件設(shè)計(jì)的情況下配置 LED 矩陣最重要的設(shè)置(例如 LED 亮度和燈光設(shè)計(jì))也非常重要,因此它可以減小 BOM 和 PCB 尺寸。本文選擇的 LED 驅(qū)動器具有帶大量寄存器映射的數(shù)字接口。用戶可關(guān)閉 LED,修改其亮度,并監(jiān)測運(yùn)行期間可能發(fā)生的故障。
結(jié)語
多光束技術(shù)是汽車行業(yè)的一項(xiàng)重大進(jìn)步,它可以使遠(yuǎn)光燈適應(yīng)道路布局和環(huán)境,額外的照明能讓駕駛員即使在能見度低的情況下也感覺到安全。 然而,多光束技術(shù)的照明設(shè)計(jì)也極具挑戰(zhàn)性,但選擇理想的 LED 驅(qū)動器將能夠應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。本文建議的 MPQ7225-AEC1 具有出色的可擴(kuò)展性、EMI 降低技術(shù)和強(qiáng)大的通信功能。另外,在設(shè)計(jì)多光束系統(tǒng)時,散熱也是重中之重,因此還建議引入 AFC 和調(diào)光等相關(guān)技術(shù)。
審核編輯:彭菁
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