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汽車外部照明LED控制系統進展
為何整合式控制器/驅動器照亮了未來?

【作者: Allan Lin】   2022年04月29日 星期五

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汽車照明市場繼續強勢成長,分析師Yole預測到2024年市場規模將達到388億美元。在過去幾年裡,LED在這個市場中的比重越來越大,LED車外燈已成為我們道路上熟悉的景象。


與白熾燈泡相比,LED的壽命更長、更節省空間、成本和電力,還替複雜和客製化的照明系統帶來了新的機會。有一種趨勢是對LED進行更複雜的控制,而不僅僅是切換開關而已;舉例來說,藉由在方向燈中加入動畫來提高安全性,以及根據場景的變化,改變LED的亮度。


除了LED本身,汽車還需要合適的電子元件來驅動和控制LED。這些元件必須可靠、小巧、有效率,而且能夠提供像是調光和故障偵測等特殊功能。


雖然過去驅動LED通常使用分離元件,但現今已轉向使用整合式驅動器。讓我們審視這些零件的要求,以及它們為汽車設計人員提供的功能。



圖一 : 汽車LED產品應用
圖一 : 汽車LED產品應用

控制LED

為了產生所需的光,LED驅動器需要在LED的陽極和陰極之間施加一個達到最小閾值電壓 (稱為「正向電壓」) 的電流來點亮LED。這個電壓取決於LED的顏色,但通常落在1.6V至4V左右。


LED的亮度取決於供應的電流,這代表可以使用合適的LED驅動器來調低汽車燈光的亮度。有兩種方法可以做到這一點:降低電流,這種方式稱為類比調光,或使用脈寬調變(PWM)進行數位調光。


對汽車產品應用來說,LED驅動器需要堅固耐用,並且能夠在-40°C至 +105°C或125°C的寬廣環境溫度範圍內運作。裝置必須能夠處理多變的電壓,比如說典型商用車的24V電池、內燃機車輛(ICEV)的12V電池,或配備 DC-DC轉換器的最新電動車(EV)並為其配件供電的12V輔助電池。同時,能夠符合相關的電磁相容性(EMC)要求,在未來的電動車浪潮中也非常重要。


藉由使用微控制器,轉換成更智慧的LED控制。另一個有用的特點是故障偵測功能,可以警告駕駛人LED故障並指示其位置,從而提高安全。典型使用多個 LED的車燈中,其中一個LED要是發生故障,因為其他LED還能繼續運作,所以很難偵測到。這可能會導致安全問題,因為車燈可能無法達到所需的亮度。因此能夠偵測故障的智慧LED驅動器彌足珍貴。



圖二 : LED後燈
圖二 : LED後燈

實際運作的整合式 LED 控制

Diodes公司的AL5873Q,就是整合式LED驅動器的例子。這是一款三通道線性LED驅動器,具有5V至55V的寬廣輸入電壓範圍,還提供多種功能,讓車輛照明設計更簡便。


前一代產品需要一個控制器和一個獨立的驅動器。現在,這兩個功能全部由 AL5873Q整合在單一元件內。使用單一裝置來驅動LED,讓所需的外部元件數量降到最低,不但簡化設計過程,還提高可靠性。


與Diodes公司的其他汽車相容LED驅動器一樣,AL5873Q也包含內建保護功能,其會使用裝置上的故障針腳,來報告問題的狀態,例如LED發生故障時。


Diodes公司的下一代產品,將從單通道和三通道裝置提供高達36個通道的更多通道數,甚至更多其他功能。這代表許多個別LED可以由單一驅動器裝置獨立控制,為車燈中的像素LED動畫效果創造機會。


AL5873Q支援PWM和類比調光,每個通道可提供高達250mA,或合計 750mA的電流。LED電流位準可以使用兩個參考電阻器來控制,這代表相同的LED發射器既可用於後燈組,也可用於尾燈和煞車燈。這讓設計更為精簡,代表可以大幅降低物料清單(BOM)成本。


如果接面溫度過高,LED的使用壽命會大幅縮短。為了避免這種情況,AL5873Q包括溫度監控功能,如果超過AL5873Q的閾值溫度,它會降低 LED電流。此外還提供過熱和LED燈條開路/短路保護監控,以及輸入欠壓鎖定和故障指示燈功能。


AL5873Q採用具有外露焊墊的小尺寸TSSOP16封裝,節省燈具外殼中的寶貴空間,並提供可靠、具成本效益的解決方案,同時符合嚴格的AEC-Q100 Grade 1汽車品質標準。AL5873Q是線性LED驅動器,不需要外部電感器,因此可以降低BOM成本,並使EMI/EMC問題易於解決。


典型產品應用如圖三所示,具有六個LED通道。LED電流位準由FULL針腳控制:當FULL針腳拉高時,會由連接到REF2針腳的電阻器設定LED電流;當FULL針腳拉低時,則由連接到REF1的電阻器決定LED電流。這代表同一組LED可以同時當成尾燈和煞車燈使用,而控制器使它們能夠提供正常尾燈操作,和停止/煞車所需的兩種不同亮度等級。



圖三 : 典型汽車 LED 產品應用
圖三 : 典型汽車 LED 產品應用

數位調光由PWM針腳控制,LED電流和亮度則是根據PWM訊號的工作週期來調整。如果偏好類比調光,則可以藉由將ADIM針腳上的電壓從 0.3V轉換到1.5V,在0%到100%之間線性調整LED電流。


此外還提供另一個省電功能,就是睡眠或待機模式。如果將PWM針腳拉到接地,而超過7ms沒有送出訊號,則AL5873Q會進入低待機電流模式 (消耗小於250μA)。如果超過25ms沒有訊號,AL5873Q會進入超低靜態電流模式(消耗小於1μA),從而降低整體功耗。


結論

展望未來,汽車產業的LED前景一片光明。首先,隨著電動車取代現有的汽油和柴油車型,電力消耗和電動馬達轉換效率將變得越來越重要。由於續航里程是電動車的一個關鍵賣點,因此在汽車怠速或行駛時,將所有電子配件(包括照明)使用的電力降到最低,將是延長電池壽命的主要因素之一,從而增加往來充電站之間可行駛的里程。


汽車製造商也將尋找新的方法,讓他們的產品之間有所差異,而LED照明可以透過客製化外型和動畫,讓他們的優勢顯而易見。此外,車輛正在轉變成高度複雜的「車輪上的電腦」,這代表設計人員正在尋找的LED驅動器,需要能與汽車通訊,並向汽車報告問題。


隨著這些要求的演變,來自供應商的整合式和智慧型LED控制器/驅動器,將使設計人員能夠獲得LED的最佳用法和特性,無論客戶朝哪個方向發展,都能滿足他們的需求。


(本文作者Allan Lin為Diodes公司LED照明事業部總監)


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