創新車用LED及驅動器提升汽車安全與舒適性

作者 : Gina Roos,Electronic Products主編

除了使用壽命長、高能效,以及控制光源的能力,LED照明還由於具有高亮度,能讓汽車駕駛更安全,因而明顯在汽車業中取得進展…

除了使用壽命長、高能效,以及控制光源的能力,LED照明還由於具有高亮度,能讓汽車駕駛更安全,因而明顯在汽車業中取得進展。LED燈可以安裝或整合在整個車輛四周,包括車頭、車尾、側面甚至頂部。在車子的第三煞車燈/停車燈,以及方向燈中使用LED已經有一段時間了,現在車尾組合燈(RCL)和霧燈也開始使用LED。

為了提高安全性,汽車製造商開始在其照明系統中置入更多智慧。其中自適應智慧頭燈(ADB)技術可以根據環境和「動態光影」照明,動態地調整遠光燈。例如在駕駛艙中的駕駛輔助提示和車輛狀態資訊,以及提供安全警示、先進導航和盲區警告的燈條。

根據Yole Développement (Yole)的資料,汽車照明正成為自動駕駛發展的重要節點,能夠在整合本地攝影機、雷達和光達(LiDAR)等感測器時發揮關鍵作用。

Yole的「先進前照明系統」(Advanced Front-Lighting Systems)報告指出,汽車數位化是汽車發展的大趨勢,如今正朝向電動車和自動駕駛車的方向發展。這包括利用新的數位途徑提供安全性、舒適性和資訊服務,以及隨著汽車產業朝向為所有用路人提供更有效通訊的方向前進,外部照明變得更加重要。圖1針對手動駕駛與先進輔助駕駛系統(ADAS)這2種行車架構進行了比較。

圖1 手動駕駛與ADAS駕駛系統架構比較。(圖片來源:Yole Développement)

Yole指出,隨著成本的降低,以及效率、亮度和封裝尺寸的改善,LED正迅速普及,目前LED頭燈在新興市場中已經商業化,幾乎所有汽車製造商和Tier One零件供應商都已開發出完整的LED頭燈系統。該報告還發現,目前每輛車使用的先進LED矩陣頭燈中使配備超過50個LED,並已廣泛應用於高檔汽車領域。

LED還可用於車輛內部照明,例如儀表板、車載資訊系統、門燈、閱讀燈、溫度控制系統和音訊/視訊系統。

根據市場研究機構LEDinside的資訊,有些供應商正在開發用於室內照明的RGB LED,實現全彩混合和動態環境等功能,並成為智慧照明發展的趨勢之一。

本文分別探討車用照明的10種創新LED和LED驅動器。

LED

隨著越來越多的汽車頭燈採用LED,歐司朗光電半導體(Osram Opto Semiconductors)等LED製造商持續努力提高亮度、能效和熱性能。該公司已經發佈了幾款具有更高駕駛安全性的下一代LED產品,包括最新版的Oslon Compact PL和Oslon Black Flat S LED。

歐司朗將推出新一代單晶片至四晶片版Oslon Compact PL系列。與之前的產品一樣,其陶瓷元件有一個絕緣墊,使封裝更易散熱。該產品可提供更高的電流,其中單晶片版本在電流1A、晶片面積1mm²時可實現395流明(lm)的亮度。

該產品尺寸僅為1.9 × 1.5 × 0.73mm,適用於ADB系統和空間極為緊湊的系統設計。ADB頭燈(也稱為智慧頭燈)可為駕駛人提供更好的視野。

歐司朗還擴展了其Oslon Black Flat S系列產品,提供單晶片和雙晶片版本。該元件採用特殊的導線架,具有最高的對比度值( >1:200)和極低的熱阻,因此允許更高的電流。其單晶片版本在1A時可達到395流明。其UX:3晶片的照明表面是正方形,讓頭燈製造商更易於進行光學設計。

由於在1A時可提供高達130lm的效率值,歐司朗相信未來車頭燈的散熱片可以做得更小,甚至無需使用散熱片。新一代Oslon Compact PL和Oslon Black Flat S的封裝尺寸不變。

三星電子(Samsung Electronics)也升級了兩款車用LED,以提供更高的光效。據該公司稱,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車LED之一(圖2)。這些封裝可以在低壓時提供更大的亮度,採用更小的散熱片,使車燈設計更輕巧,從而降低了車燈製造商的系統成本。

圖2 三星的FX系列LED。(圖片來源:三星電子)

三星C系列的目標應用是外部照明燈,例如車頭燈,一般需要更大的光通量和高可靠性,尤其是在惡劣的工作條件下。C系列包含多達四種多晶片設計,可提供高達1,560lm的光通量,其陶瓷基板的熱穩定度和高耐用性更進一步提高了每個封裝的可靠性。

此外,三星並透露C系列採用獨特的螢光混合物,較其前一代倍增了對比度最高達到1,000:1,從而大幅擴展了駕駛人的視野。C系列提供各種光通量和尺寸可供選擇。

三星還稱其FX系列具有更高可靠性,採用覆晶晶片封裝,尺寸為1.8 × 1.4mm。FX LED體積精巧,實現更流暢的設計,可用於日行燈(DRL)、抬頭顯示器(HUD)以及下一代ADB。

首爾半導體(Seoul Semiconductor)推出下一代晶圓級超高亮度(UHL)系列WICOP LED——無需封裝直接將LED晶片焊接在PCB上,專用於電動車(EV)頭燈。與其他LED相較,使用新型WICOP UHL LED的EV頭燈功耗降低達20%,散熱性能提高40%,預計2021年開始量產。圖3顯示WICOP UHL LED技術。

圖3 首爾半導體的晶圓級WICOP UHL LED技術。(圖片來源:Seoul Semiconductor)

電池功耗是決定單次充電行駛距離的重要指標之一,因此降低汽車元件的整體重量以降低功耗至關重要。

在車頭燈中採用此晶圓級WICOP UHL技術,有助於使散熱片的重量減少75%。此外,產品的LED發光區域非常小,約為0.5mm2,可實現細光束頭燈設計。

首爾半導體開發的晶圓級WICOP產品是該公司首款專利無封裝LED技術。該公司表示:「覆晶封裝晶片技術必須在半導體製程中進行接合,而WICOP LED則可以在一般的基底接合過程中輕鬆進行表面黏著(SMT)。」

億光電子(Everlight Electronics)已在其智慧LED系列中嵌入了智慧IC驅動器,透過控制器更有效地管理色彩並調整亮度,用於汽車內部照明。其智慧多功能汽車RGB技術(Smart Multi-Function Automotive RGB Technology,EL SMARTLED),讓汽車製造商可在車輛內裝中使用多種顏色。億光電子是ISELED聯盟的成員,該聯盟致力於開發適用於汽車內裝的智慧LED技術並改善用戶體驗。

EL SMARTLED (XI3040-RGBIC0251L-AM)將驅動器IC整合到RGB-LED封裝中,以控制三階SDCM (MacAdam Ellipse)中的元件校準色差。該整合的驅動器IC透過溫度檢測紅光LED以控制熱失控。EL SMARTLED透過LIN介面串聯多達4,000個LED,傳送速率高達2Mbps,從而提供比傳統RGB-LED更好的色彩均勻性。

智慧LED採用SMD封裝,尺寸為3.0 × 4.1 × 0.9mm。汽車內裝應用包括內部照明、車頂閱讀照明和儀表板顯示器。

同樣地,Dominant Opto Technologies也推出了智慧LED系列——智慧嵌入式數位驅動器LED (seddLED)。單個封裝中整合了用於汽車環境照明的RGB LED、LED驅動器,以及先進的ISELED通訊協議。

該公司seddLED3.0系列的第一個產品是A3A-FKG-1400-1,預校準至D65白點,亮度為1,400mcd,色容差小於3SDCM;其優點在於可透過控制LED峰值電流(PWM)、波長校準和溫度補償來微調色彩和強度的變化。

第二款產品是A3A-FKG-RGB-1,預校準至單獨的紅光、真綠和藍光,亮度分別為400mcd、1,600mcd和250mcd。該公司還推出seddLED3.4系列的A3A-FKG-1400-1產品,預校準至D65白點,亮度為1,400mcd,色容差小於3SDCM。

LED驅動器

為了充份利用LED的優勢並實現最高效的光輸出,LED必須搭配適用的LED驅動器。本文將介紹五款LED驅動器。

Diodes提供的AL8843Q和AL8862Q DC/DC降壓轉換器(圖4)可驅動汽車內裝和外部LED燈使用的單個LED或多個LED燈串,應用於DRL、霧燈、方向燈和煞車/停止燈等汽車照明應用。兩款元件均採用SO-8EP封裝,符合AEC-Q100 1級標準。

圖4 Diode的DC/DC降壓轉換器。(圖片來源:Diodes)

供電電壓範圍為4.5V~40V的AL8843Q和供電電壓範圍為5V~55V的AL8862Q降壓轉換器可以承受更大的電壓變化,例如低啟動或停止-啟動操作時負載突降,LED的驅動電流並不至於降低。其安全功能包括過熱保護,以及LED短路和開路保護。AL8862Q還整合了開漏故障指示接腳。

DC/DC降壓轉換器支援0%~100%的PWM全級調光,可透過0.4V~2.5V類比輸入進行控制,也可由外部微控制器(MCU)或主處理器產生的PWM訊號加以控制。兩款元件均整合了一個功率MOSFET:40V/0.2Ω型號用於AL8843Q,55V/0.4Ω型號用於AL8862Q。此外還配備遲滯模式降壓型LED驅動器控制功能,簡化了反饋迴路,工程師只需使用四個外部元件即可實現高度穩定的降壓轉換器設計。

安森美半導體(ON Semiconductor)發佈了一系列簡化先進車輛照明的4款元件,可確保更高的道路安全性。新系列適用於低功率固態照明,包含兩個LED驅動器(NCV7683和NCV7685),以及兩個電流控制器(NCV7691和NCV7692)。圖5所示為NCV7685 LED驅動器。

圖5 安森美適用於低功率固態照明的LED驅動器。(圖片來源:安森美)

安森美半導體指出,為了提高道路安全性,汽車製造商不再簡單地使用「開/關」(on/off)控制,而是轉向更進複雜的系統,在RCL、方向燈、霧燈和其他外部調節LED燈簇中導入運動和可變強度功能,為其他道路使用者提供更高能見度的警告。

NCV7685和NCV7683分別整合了12個和8個線性可編程電流源,能夠以每通道高達100mA的電流驅動LED燈簇。其配置選項包括菊鍊、照明級控制、電流調節、循序功能,以及通道組合。

NCV7685採用具有CRC8錯誤檢測功能的8位元I2C介面,透過PWM單獨調整輸出電流,並利用專用診斷接腳完成先進診斷(包括檢測LED燈串開路或欠壓等)。根據不同的設計要求,NCV7685還可由DC/DC控制器和/或LDO穩壓器供電。

NCV7691只使用一個外部NPN雙極電晶體和一個回饋電阻,可提供寬廣的電流調節範圍來驅動一個或多個LED串。該驅動器可在多通道系統中添加單通道,並透過其PWM輸入支援調光功能。NCV7691利用開路、短路和熱關斷功能來實現安全操作。其後衍生的NCV7692具有更短的回應時間,可降低開路負載檢測的閾值。

針對新興智慧汽車照明應用,Melexis利用其MeLiBu (Melexis Light Bus)高速通訊IP開發了RGB-LED驅動器,可實現汽車內裝的智慧動態光影照明。通訊介面可讓汽車製造商利用車艙中的動態光影功能,例如駕駛輔助提示和車輛狀態資訊,以提高汽車安全性。燈條則可用於安全警告、先進導航,以及盲點警告。

MLX81116是一款全整合式智慧汽車LED驅動器,提供多個LED驅動器之間的高速通訊,以實現多顆LED燈的動態光影照明應用。它包含用於LED驅動和通訊的所有必需元件,提供>250 RGB LED的無延遲即時更新。

Melexis表示,RGB LED燈條可以透過色彩編碼、色彩變化和閃爍序列與駕駛人進行通訊,但目前仍然存在挑戰,例如讓燈條中所有LED的頻色保持一致,並確保其同步改變。

為了解決了這些問題,Melexis推出其高速通訊介面IP——MLX81116 (圖6)。MeLiBu可在燈條中單獨控制每一個LED以產生照明效果,同時即時補償由於環境變化引起的任何LED色彩漂移。

圖6 Melexis全整合式智慧汽車LED驅動器,提供多個LED驅動器間的高速通訊。(圖片來源:Melexis)

MeLiBu通訊介面基於CAN-FD實體層,可確保其穩定性、可靠性和高速率(高達2Mbps)。該介面支援專用光學參數,可實現1% Delta UV的色彩混合精確度,確保燈條中各個LED沒有明顯的差異,而且無需額外的外部元件即可提供溫度補償。

MLX81116驅動器IC具備寬廣的調光範圍,可以針對白天和夜間駕駛進行亮度調節。Melexis表示,由於該驅動器使用了CAN-FD實體層,因此更容易符合電磁相容性(EMC)法規,可滿足汽車ISO 26262的功能安全要求,最高達到安全完整性等級B (ASIL B),並具有低EMI輻射和高抗干擾性。

ISSI子公司Lumissil Microsystems的IS3xFL3265x系列LED驅動器(圖7)也專門針對汽車動態光影照明,其高壓LED通道可減少EMC問題。

圖7 Lumissil專為汽車動態光影照明打造的LED驅動器。(圖片來源:Lumissil Microsystems)

這些LED驅動器專為嚴苛及高標準的應用環境而設計,整合了暫存器,可透過故障檢測和報告來調整熱保護級,並可在-40℃~125℃的寬溫度範圍內運作,適合需要利用高壓LED輸出來支援每個通道堆疊多顆LED的汽車和工業應用。

據Lumissil表示,這些驅動器支援18個高壓LED輸出,無論是進行RGB彩色照明還是白光照明,均可單獨對其進行配置以實現最佳光輸出。利用高壓輸出,設計工程師可將多個LED堆疊在同一通道,以便在給定LED電流下提高光輸出。

這些LED驅動器採用靈活的匯流排架構並內建EMI抑制技術,可用於汽車內裝和外部LED照明。選擇相應的元件(I2C匯流排為IS32FL3265A,SPI匯流排為IS32FL3265B),可以支援I2C或SPI匯流排協定。兩種匯流排介面都支援高壓輸出、單通道(區域)照明控制、EMI抑制、故障保護功能,並符合AEC-Q100標準。

對於汽車內裝環境照明,可以將18個高壓通道配置為6個RGB區域或18個高亮度照明區域。對於外部應用,可以將18個單獨控制的LED通道進行配置,以產生「迎賓燈」或動態尾燈的照明效果。

羅姆半導體(Rohm Semiconductor)的BD18336NUF-M超小型高輸出線性LED驅動器專用於汽車的各種插口型LED燈,包括DRL和尾燈,即使在單晶片上電池電壓下降的情況下也能提供穩定的照明。它還有助於縮減最新的插口型LED燈尺寸。

這種插口型LED燈像LED燈泡一樣方便更換,且易於維護,因而引起廣泛的關注。但是由於插槽的尺寸很難縮減,從而影響設計的靈活性。

BD18336NUF-M利用電流旁路功能防止LED熄滅,並透過切換LED電流路徑始終保持至少30%的亮度,即使在供電電壓從13V降至9V時也是如此。Rohm稱這是首款整合電流旁路功能的單晶片,可在電池電壓下降時實現穩定照明。

此外,BD18336NUF-M在3.0mm2超小型封裝中實現了600mA的高輸出,與傳統解決方案(包括外部電路)相比,安裝面積減少了約30%,因而可安裝在小型插口型LED燈的10mm2基底上。由於內建電流旁路,使其所用的外部元件比傳統設計減少了七個,從而縮減了安裝面積。

BD18336NUF-M還具有抑制LED發熱的功能,支援容易發熱的白光LED,使其可用於DRL和其他利用白光LED的車輛照明系統中。

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

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年2月號雜誌

 

 

 

 

 

 

 

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