迎接汽車照明的電源管理挑戰(zhàn)

汽車中 LED 模塊的激增對系統(tǒng)硬件提出了新的要求，包括減小組件尺寸以在同一空間內(nèi)安裝更多電子設(shè)備、提高能效以在相同或更低的熱預(yù)算內(nèi)運(yùn)行、支持多種配置的連接和靈活架構(gòu)以及精確控制以保留 LED 光特性。本文回顧了汽車 LED 電子元件面臨的挑戰(zhàn)，并提供了一些有效電源管理如何提供幫助的示例。

介紹

由于相對于傳統(tǒng)技術(shù)的顯著優(yōu)勢及其多樣化的汽車應(yīng)用，LED 正在席卷汽車行業(yè)。

前燈模塊往往需要更高的功率（超過 100W），使用高效、基于開關(guān)的驅(qū)動器。尾燈和其他外部燈需要較低的功率，有時低到足以允許使用簡單的線性驅(qū)動器。LED 大燈中白光的卓越清晰度提高了駕駛員的反應(yīng)時間。自適應(yīng)前照燈系統(tǒng) (AFS) 由 LED 矩陣支持，可產(chǎn)生快速、復(fù)雜的光模式變化，從而提高駕駛員在光線不足條件下的能見度。在夜間，AFS 可以根據(jù)來車的光束自動調(diào)整燈光模式，防止迎面而來的司機(jī)被刺眼的燈光刺瞎。

LED 照明上升時間是白熾光源的兩倍，使基于 LED 的剎車燈能夠更快地點(diǎn)亮，為駕駛員提供提前警告并提高道路安全。最后，LED 比白熾燈消耗更少的功率，從而在燃料消耗方面具有顯著優(yōu)勢。LED 控制器在保持和增強(qiáng) LED 固有的清晰度、速度和效率品質(zhì)方面發(fā)揮著重要作用。

為 LED 供電

LED 有許多汽車應(yīng)用，用于從單個 LED 到 LED 串或矩陣的各種配置。高亮度 (HB) LED 需要恒定電流才能獲得最佳性能。電流與結(jié)溫相關(guān)，因此與顏色相關(guān)。因此，HB LED 必須由電流而非電壓驅(qū)動。電源范圍從 12V 汽車電池到 60V 升壓轉(zhuǎn)換器，以適應(yīng)長 LED 串。采用啟/停技術(shù)的車輛在發(fā)動機(jī)啟動時會經(jīng)歷較大的電池電壓驟降，導(dǎo)致電池電壓遠(yuǎn)低于典型的 12V，有時甚至低于 6V。

挑戰(zhàn)

汽車中 LED 模塊的激增對系統(tǒng)硬件提出了新的要求，包括：減小組件尺寸以在同一空間內(nèi)安裝更多電子設(shè)備，提高能效以在相同或更低的熱預(yù)算內(nèi)運(yùn)行，支持支持多種配置的連接和靈活架構(gòu)，以及精確控制以保持 LED 光特性。

在以下部分中，我們將解決以下應(yīng)用程序的挑戰(zhàn)：

大功率前端燈

低/中功率前端燈

用于駕駛員監(jiān)控系統(tǒng) (DMS) 的紅外 (IR) 攝像頭

尾燈和其他外部燈

解決方案

大功率前端燈

由于卓越的照明特性和效率，高功率 LED 在汽車前照燈設(shè)計中變得非常流行。反過來，支持 LED 的電子設(shè)備必須快速、高效和準(zhǔn)確，以控制光強(qiáng)度、方向和焦點(diǎn)。它們必須支持較寬的輸入電壓范圍，并且必須在汽車收音機(jī)的 AM 頻段之外工作，以避免電磁干擾 (EMI)。它們還必須支持 AFS 的 LED 矩陣所需的復(fù)雜光模式。

調(diào)光是許多汽車應(yīng)用中無處不在的功能，也是 LED 大燈的一項(xiàng)重要安全功能。人眼幾乎無法檢測到 100% 到 50% 的光線變暗。調(diào)光必須降低到 1% 或更少才能清晰可辨?？紤]到這一點(diǎn)，將調(diào)光指定為 1000:1 或更高的比率也就不足為奇了。鑒于人眼在適當(dāng)條件下可以感知單個光子，因此該功能幾乎沒有限制。

由于電流必須保持恒定以保持顏色，因此 LED 的最佳調(diào)光策略是 PWM（脈沖寬度調(diào)制），通過對電流進(jìn)行時間切片而不是通過改變幅度來調(diào)制光強(qiáng)度。PWM 頻率必須保持在 200Hz 以上，以防止 LED 閃爍。

對于 PWM 調(diào)光，最小 LED“開/關(guān)”時間的限制是升高/降低開關(guān)穩(wěn)壓器電感中的電流所需的時間。這可能會增加數(shù)十微秒的響應(yīng)時間，這對于需要快速、復(fù)雜調(diào)光模式的 LED 大燈組應(yīng)用來說太慢了。在這種情況下，調(diào)光只能通過單獨(dú)地在一個字符串由專用MOSFET開關(guān)裝置（SW接通/關(guān)斷每個LED執(zhí)行1-K在圖3中）。電流控制環(huán)路面臨的挑戰(zhàn)是足夠快以快速從由于二極管的切入和切出導(dǎo)致的輸出電壓瞬變中恢復(fù)。

為了最有效，LED 控制器必須適應(yīng)較寬的輸入電壓范圍，并具有如前所述的快速瞬態(tài)響應(yīng)。需要在 AM 頻帶之外的高、控制良好的開關(guān)頻率，以減少射頻干擾并滿足 EMI 標(biāo)準(zhǔn)。最后，高效率減少了熱量的產(chǎn)生，提高了 LED 燈系統(tǒng)的可靠性。

復(fù)雜的前照燈系統(tǒng)利用升壓轉(zhuǎn)換器作為前端來管理輸入電壓（轉(zhuǎn)儲或冷車發(fā)動）和 EMI 輻射的變化。升壓轉(zhuǎn)換器提供良好調(diào)節(jié)且足夠高的輸出電壓（圖 3）。專用降壓轉(zhuǎn)換器使用該穩(wěn)定輸入電源工作，然后通過允許每個降壓轉(zhuǎn)換器控制單個功能（例如遠(yuǎn)光燈、近光燈、霧燈、日間行車燈 (DRL)）來處理控制燈強(qiáng)度和位置的復(fù)雜性、位置等。單獨(dú)的二極管由開關(guān)矩陣管理器切入和切出，允許像素級自適應(yīng)照明。

圖 3：高級 LED 照明系統(tǒng)

在此應(yīng)用中，每個降壓轉(zhuǎn)換器的主控制環(huán)路設(shè)置其 LED 串中的電流，并帶有兩個實(shí)施過壓和過流保護(hù)的次級環(huán)路。

理想的解決方案應(yīng)滿足寬輸入電壓范圍、快速瞬態(tài)響應(yīng)、高且控制良好的開關(guān)頻率的要求，同時通過同步整流實(shí)現(xiàn)高效率。MAX20078 LED 降壓控制器可實(shí)現(xiàn)這樣的解決方案。

MAX20096 同步、全 n 通道、帶 SPI 的降壓 LED 控制器在單個 IC 中集成了兩個通道，減少了解決方案占板面積和 BOM。

MAX20092 可以實(shí)現(xiàn) 12 矩陣開關(guān)管理器。該 IC 具有用于串行通信的串行外設(shè)接口 (SPI)。MAX20092 是一個從設(shè)備，它使用 SPI 與作為主設(shè)備的外部微控制器 (μC) 進(jìn)行通信。12 個開關(guān)中的每一個都可以獨(dú)立編程，以繞過串中每個開關(guān)的 LED。

圖 3 中的升壓轉(zhuǎn)換器采用 MAX16990/MAX16992、36V、2.5MHz 汽車升壓/SEPIC 控制器實(shí)現(xiàn)。

低/中功率前端燈

在低/中功率前照燈系統(tǒng)中，遠(yuǎn)光燈和近光燈等前照燈功能由更簡單的單功能控制器 IC 執(zhí)行。

可容納一系列 LED 的低/中功率前照燈系統(tǒng)架構(gòu)使用升壓轉(zhuǎn)換器。在圖 4的升壓控制器 IC 中，三個反饋回路 (CURRENT LOOP) 之一確保對輸出電流的嚴(yán)格控制。其他兩個反饋回路為一串 12 個二極管執(zhí)行過壓保護(hù) (OVP LOOP) 和過流保護(hù) (OCP LOOP)，這會在串上產(chǎn)生 42V（每個 LED 3.5V）。

圖 4：典型的升壓 LED 控制系統(tǒng)

除了電流和電壓控制之外，IC 還必須配備之前描述的所有功能（調(diào)光、擴(kuò)頻等）。需要高側(cè)電流檢測（通過電阻器 R 3和 R S）來保護(hù) LED 系統(tǒng)，以防輸出與地或電池輸入短路。

理想情況下，LED 控制器應(yīng)具有靈活的架構(gòu)，支持實(shí)現(xiàn)不同功能的多種配置。我們已經(jīng)討論了升壓配置，但我們還應(yīng)該考慮降壓-升壓配置。如果二極管串很短，例如兩個或三個 LED（7V 或 10.5V），而電池電壓可能從低于 6V（冷啟動）到 16V 不等，則需要降壓-升壓模式配置。如果關(guān)注的是輸入到輸出隔離，那么 SEPIC（不連續(xù)輸出電流）或 Chuck（連續(xù)輸出電流）轉(zhuǎn)換器可能是正確的解決方案。支持多種架構(gòu)的單個控制器具有明顯的規(guī)模經(jīng)濟(jì)和易于重用的優(yōu)勢。

例如，MAX20090 是一款非常靈活的 LED 驅(qū)動控制器，支持升壓、高端降壓、SEPIC 模式或降壓-升壓模式配置。

用于駕駛員監(jiān)控系統(tǒng) (DMS) 的紅外攝像頭

紅外 (IR) 攝像頭利用 IR-LED 二極管與 CMOS 傳感器相結(jié)合，有助于識別影響駕駛者的危險微睡眠。使用紅外線的優(yōu)勢在于它對人眼不可見，并且能夠晝夜操作。圖像分析處理信息以確定駕駛員是否疲勞或分心。典型的正向電壓為 2.8V，正向電流為 1A，驅(qū)動 LED 的電子設(shè)備直接連接到電池。

例如，MAX20050 降壓 LED 驅(qū)動器是一種理想的解決方案（圖 5）。完全同步的 2A 降壓轉(zhuǎn)換器集成了兩個低 R DS(ON) 0.14Ω（典型值）MOSFET，確保高達(dá) 95% 的高效率。MAX20050 具有 4.5V 至 65V 的輸入電源范圍，可輕松承受電池拋負(fù)載，使其成為 DMS 應(yīng)用中前端降壓轉(zhuǎn)換器的理想選擇。

圖 5：IR-LED 驅(qū)動器解決方案

對于更高的功率，可以使用 MAX20078 同步降壓 LED 控制器。對于更高電壓的應(yīng)用，MAX20090 高壓 HB LED 控制器是一個很好的選擇。

尾燈和其他外燈

尾燈和其他外部燈，如剎車燈、門把手燈等，需要較少的功率，并由簡單的單功能 IC 處理。在這里，MAX20090 可用作升壓 LED 控制器或需要電壓高于最小電池電壓的長燈串，或用作前端升壓穩(wěn)壓器。MAX20050 降壓轉(zhuǎn)換器可以驅(qū)動直接連接到電池的短二極管串。或者，它可以在前端升壓轉(zhuǎn)換器的幫助下驅(qū)動長串二極管。

對于噪聲敏感應(yīng)用，可以使用線性 LED 驅(qū)動器。MAX16823 三通道 LED 驅(qū)動器 (圖 6) 在 5.5V 至 40V 輸入電壓范圍內(nèi)工作，并為一串或多串 HB LED 提供每通道高達(dá) 100mA 的電流。每個通道的電流都可以使用與 LED 串聯(lián)的外部電流檢測電阻進(jìn)行編程。除了提供輸出的開和關(guān)控制外，三個 DIM 輸入還允許進(jìn)行大范圍的獨(dú)立脈沖調(diào)光。波形整形電路可降低 EMI，同時提供快速開啟和關(guān)閉時間。

圖 6：用于低噪聲的線性驅(qū)動器

概括

表 1 總結(jié)了汽車 LED 驅(qū)動器應(yīng)用和建議的產(chǎn)品解決方案。

表 1：汽車 LED 驅(qū)動器

結(jié)論

LED 模塊在汽車中的激增對系統(tǒng)硬件提出了新的要求，包括：減小組件尺寸以在同一空間內(nèi)安裝更多電子設(shè)備、提高能效以在相同或更低的熱預(yù)算內(nèi)運(yùn)行、支持多種配置的連接和靈活架構(gòu)以及準(zhǔn)確的控制保持 LED 燈的特性。

在本文中，我們解決了在設(shè)計大功率和中低功率前端燈、DMS 中使用的紅外攝像頭以及尾燈和外部燈時遇到的挑戰(zhàn)。在每種情況下，都根據(jù)手頭的應(yīng)用提供了最佳電源管理解決方案。

審核編輯 黃昊宇