汽車LED組合尾燈及其實(shí)際應(yīng)用
由于LED固有的長(zhǎng)使用壽命及利于新穎造型設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，汽車設(shè)計(jì)社群近年來(lái)越來(lái)熱衷于使用LED。跟發(fā)光點(diǎn)單一的白熾燈泡不同，汽車應(yīng)用中結(jié)合使用多顆LED來(lái)提供停車及尾燈組合功能所需的光強(qiáng)度。尾燈功能要求的光強(qiáng)度較低，故其平均穩(wěn)壓功率必須比停車燈功能低。LED陣列的電氣連接要么是并聯(lián)-串聯(lián)排列，要么是數(shù)串串聯(lián)LED排列(通常每串3顆)，每個(gè)LED串都有其并聯(lián)偏置連接的功率電阻和二極管，從而構(gòu)成組合尾燈整體。每個(gè)組合尾燈中的LED串?dāng)?shù)量最低可以是2串，或最多超過(guò)8串。當(dāng)涉及到大批量LED及它們固有的光強(qiáng)度分布問(wèn)題時(shí)，基于電阻的電流源會(huì)帶來(lái)某些制造和成本方面的限制，手頭上需要有眾多不同阻值的電阻，從而使組合尾燈具有標(biāo)準(zhǔn)的光強(qiáng)度，符合客戶及政府制定的光輸出要求。
基于硅的專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)有機(jī)會(huì)為基于串聯(lián)LED串的組合尾燈提供穩(wěn)流功能。本文將討論一個(gè)ASSP實(shí)例，并展示如何在組合尾燈設(shè)計(jì)中具體應(yīng)用這ASSP。除了闡釋這器件的功能，還將展示相關(guān)應(yīng)用電路，介紹在某個(gè)LED開(kāi)路的情況下如何提供LED陣列的自動(dòng)閂鎖。這閂鎖電路構(gòu)成模仿白熾燈故障所要求的“一個(gè)故障則全部故障”(one out all out)工作的基礎(chǔ)。
背景知識(shí)及應(yīng)用
高可靠性和適合纖薄設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)使得LED燈成為適宜的技術(shù)選擇。白熾燈相對(duì)于LED燈的主要折衷優(yōu)勢(shì)就在于初期成本及替換成本。
為此，基于LED的組合尾燈要求穩(wěn)流，在9.0 V至16 V的額定汽車連續(xù)電壓條件下提供穩(wěn)定或受到限制的LED陣列電壓。此外，白熾燈和LED技術(shù)相比而言，燈開(kāi)路條件給車身控制模塊(BCM)帶來(lái)的問(wèn)題也大為不同。
圖1顯示了汽車的車身控制模塊和組合尾燈接口。車身控制模塊包含多個(gè)高端驅(qū)動(dòng)器(High Side Driver)通道，為車輛中的多個(gè)不同接地負(fù)載提供開(kāi)關(guān)功率。每個(gè)高端驅(qū)動(dòng)器通常都有限流，并且最少有標(biāo)準(zhǔn)失效模式的一個(gè)子集作為診斷信號(hào)，如對(duì)地短路、電池短路、負(fù)載器件導(dǎo)通/關(guān)閉開(kāi)路等。如果這些高端驅(qū)動(dòng)器正好適合為白熾燈泡供電，那么限流就必須適應(yīng)高浪涌輸入電流及高穩(wěn)態(tài)電流，并使高端驅(qū)動(dòng)器的限流閾值非常高。然而，白熾燈泡燒毀時(shí)，高端驅(qū)動(dòng)器可以輕易地確定開(kāi)路故障，因?yàn)榘谉霟襞莨收祥_(kāi)路，車身控制模塊的高端驅(qū)動(dòng)器輕易檢測(cè)到零電流。基于LED的組合尾燈相應(yīng)的開(kāi)路狀況不同，車身控制模塊的高端驅(qū)動(dòng)器和組合尾燈的穩(wěn)流器需要予以特別的考慮。
圖1. 汽車車身模塊及組合尾燈接口。
LED串理論
基于LED的組合尾燈中，各個(gè)LED的排列通常有兩種常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：交叉連接(cross coupled)或串聯(lián)串連接(series strings)。圖2a和圖2b詳細(xì)描繪了這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提供給LED陣列的電流通過(guò)功率電阻來(lái)限制。大多數(shù)LED不容許并聯(lián)連接，因?yàn)長(zhǎng)ED正向壓降可能不匹配，導(dǎo)致不平衡電流均流(current sharing)。尾燈模式下電流均流更趨復(fù)雜，因?yàn)殡娏饕筝^低。由于LED以額定工作電流(及“停車”電流)來(lái)衡量特性，并且電流的大小通常比尾燈功能要求的電流大10倍，圖2b所示的LED拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更受青睞。圖2a中的單顆功率電阻在圖2b中分為幾個(gè)不同的功率電阻，分別專門用于各個(gè)LED串。在尾燈模式下，總電流均衡地分配給所有電流串，并在“停車”饋電線路中配有阻隔二極管。
圖2a(上). 交叉連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；圖2b(下). 串聯(lián)串連接及N-1故障條件
組合尾燈制造商為了解決電氣設(shè)計(jì)問(wèn)題，必須符合政府要求(如美國(guó)的聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全標(biāo)準(zhǔn)FMVSS 108)。美國(guó)的這項(xiàng)規(guī)范要求在某個(gè)LED開(kāi)路的情況下仍然維持所需的光輸出。這就是N-1規(guī)則，可能迫使組合尾燈配備額外的LED。在圖2中，從LED陣列中最少移除1顆LED并不會(huì)降低供電電流；相反，總電流轉(zhuǎn)供給剩下的LED，導(dǎo)致剩下的LED電流增加，使用壽命縮短。為了確定任意哪個(gè)LED會(huì)開(kāi)路， 每個(gè)LED要求大量的電路及線束，結(jié)果可能令成本不劃算。
圖3. LED串串聯(lián)排列(每串偏置能使用3顆LED)。每串LED上都能輕易地進(jìn)行開(kāi)路測(cè)量。
圖2b中應(yīng)用了N-1規(guī)則，從LED陣列中移除3顆LED，總電流略微下降，但車身控制模塊檢測(cè)不到這變化。然而，LED開(kāi)路檢測(cè)電路數(shù)量減少到要求的電流源數(shù)量或LED串?dāng)?shù)量。雖然圖3中故障開(kāi)路的LED有3顆，相比較而言圖2a中僅1顆，如果確保診斷信號(hào)的話，串聯(lián)串拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是恰當(dāng)?shù)倪x擇了。這就直接適用于基于LED的轉(zhuǎn)向指示燈，這種燈使用診斷指示來(lái)閂鎖整個(gè)LED陣列，使車身控制模塊能夠作出真正的負(fù)載開(kāi)路檢測(cè)，并且警示驅(qū)動(dòng)器。某些地區(qū)市場(chǎng)強(qiáng)制要求停車燈功能帶有這種閂鎖特性。
市場(chǎng)上存在著提供匹配汲電流、為多串LED供電的專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)線性集成電路的商機(jī)。這種器件應(yīng)當(dāng)提供診斷信號(hào)，這信號(hào)在LED串中任何LED適用于N-1規(guī)則時(shí)用途標(biāo)記(flag)。這種警示標(biāo)記能用于閂鎖整個(gè)組合尾燈，迫使車身控制模塊檢測(cè)到開(kāi)路狀況。此外，這種器件中還可以增添諸如過(guò)溫關(guān)閉和功率反走等功能，使其在汽車負(fù)載需要承受的各種短路及瞬態(tài)電氣條件下更為強(qiáng)固。
安森美半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的NCV7680滿足組合尾燈工程師以任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)例行應(yīng)用各種LED陣列所需的要求。因?yàn)槌杀炯半姶鸥蓴_(EMI)問(wèn)題，這器件專門設(shè)計(jì)為恒流線性穩(wěn)壓器而非開(kāi)關(guān)電源。
圖3a顯示了NCV7680的框圖。每路輸出穩(wěn)流的電流通過(guò)單顆電阻在Rstop引腳設(shè)定。這電阻提供特定的小電流，用于在每路輸出復(fù)制。輸出電流可以設(shè)定為每串最低不到10 mA，最高100 mA，使得總穩(wěn)流電流為800 mA。LED串電流較高時(shí)輸出可以一起短路。各路輸出的匹配精度在完整汽車環(huán)境溫度范圍(-40℃至+125℃)下達(dá)到低于5%。
觸發(fā)了“停止”輸入時(shí)，所有輸出導(dǎo)通，并以設(shè)定的Rstop值穩(wěn)流。輸出一直保持導(dǎo)通，直到“停車”輸入周期結(jié)束。如果“停車”引腳循環(huán)至低電平，且車身控制模塊仍在以二極管Or(見(jiàn)圖3b)來(lái)為L(zhǎng)ED陣列饋電，NCV7680就恢復(fù)到內(nèi)部脈寬調(diào)制(PWM)模式，輸出/串以平均電流強(qiáng)度值來(lái)調(diào)光。這就是“尾燈”模式，占空比能以Rtail值來(lái)選擇。這個(gè)接地的電阻可以將尾燈PWM占空比設(shè)定在0到80%之間。內(nèi)部振蕩器頻率內(nèi)部設(shè)定為1 kHz，最為重要的是，電流轉(zhuǎn)換率(slew rate)限制為低等級(jí)的6 mA/μs。因?yàn)镻WM電流波形的緣故，這就確保不會(huì)出現(xiàn)輻射問(wèn)題。診斷信號(hào)是源自八路電流輸出的內(nèi)部二極管Or。每次“停車”輸入升至高電平，診斷信號(hào)就被拉至低電平。如何任何LED串開(kāi)路，“停車”功能將激活，導(dǎo)致沒(méi)有診斷激活。而使用簡(jiǎn)單的上拉電阻，即可使電路完整，提供簡(jiǎn)單的診斷功能。
圖3a. 提供開(kāi)發(fā)LED組合尾燈所需全部功能的NCV7680的框圖。
NCV7680是一款線性穩(wěn)壓器，這種情況下熱管理又很快成為一個(gè)大問(wèn)題。雖然這器件具有集成到SOIC 16封裝中的暴露熱焊盤，但在某些情況下需要額外的幫助來(lái)管理汽車電壓下降。這器件用于驅(qū)動(dòng)高端P溝道MOSFET的外部門極或PNP雙極晶體管的基極。這器件帶有反饋引腳，由內(nèi)部1 V參考來(lái)控制。這種特性并非必須使用，但是，LED始終存在散熱問(wèn)題；在有外部晶體管的情況下，可以在印制電路板銅層或TO-220等其它散熱配置上設(shè)計(jì)直接的功率通道。
圖3b是NCV7680的應(yīng)用電路圖。這組合尾燈以“停車”電流電平來(lái)調(diào)制，而在“尾燈”模式下，電流精確地調(diào)節(jié)至Rstop電流值的15%。這設(shè)計(jì)集成了鎮(zhèn)流器晶體管Q1以及電阻R11和R12，用作線性穩(wěn)壓器，限制NCV7680的壓降。如果任何LED運(yùn)用了N-1規(guī)則，就會(huì)使Q2、Q3及診斷輸出動(dòng)作，導(dǎo)致整個(gè)LED陣列閂鎖。一旦LED陣列閂鎖，“停車”線路需要拉至低電平，然后又拉至高電平。這就確保無(wú)顫振(無(wú)chatter free)特性，降低的電流會(huì)減少至低于6 mA，并且能夠輕易地被車身控制模塊感測(cè)到。
結(jié)論
LED組合尾燈如果需要瞄準(zhǔn)全球市場(chǎng)，則需要特別注意。有規(guī)范強(qiáng)制某些組合尾燈應(yīng)用根據(jù)N-1規(guī)則來(lái)提供診斷功能或是閂鎖功能。安森美半導(dǎo)體的NCV7680能夠用于應(yīng)用及控制任何組合尾燈配置，包括停車車、轉(zhuǎn)向車、尾燈及示廓燈。這種集成電路方案支持內(nèi)置保護(hù)，防止過(guò)壓、過(guò)載及過(guò)溫關(guān)閉的不利影響。