汽車(chē)LED組合尾燈及其實(shí)際應用

由于LED固有的長(cháng)使用壽命及利于新穎造型設計的優(yōu)勢，汽車(chē)設計社群近年來(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(chē)應用中結合使用多顆LED來(lái)提供停車(chē)及尾燈組合功能所需的光強度。尾燈功能要求的光強度較低，故其平均穩壓功率必須比停車(chē)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，從而構成組合尾燈整體。每個(gè)組合尾燈中的LED串數量最低可以是2串，或最多超過(guò)8串。當涉及到大批量LED及它們固有的光強度分布問(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準的光強度，符合客戶(hù)及政府制定的光輸出要求。

基于硅的專(zhuān)用標準產(chǎn)品(ASSP)有機會(huì )為基于串聯(lián)LED串的組合尾燈提供穩流功能。本文將討論一個(gè)ASSP實(shí)例，并展示如何在組合尾燈設計中具體應用這ASSP。除了闡釋這器件的功能，還將展示相關(guān)應用電路，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。

背景知識及應用

高可靠性和適合纖薄設計方面的優(yōu)勢使得LED燈成為適宜的技術(shù)選擇。白熾燈相對于LED燈的主要折衷?xún)?yōu)勢就在于初期成本及替換成本。

為此，基于LED的組合尾燈要求穩流，在9.0 V至16 V的額定汽車(chē)連續電壓條件下提供穩定或受到限制的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(chē)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(chē)的車(chē)身控制模塊和組合尾燈接口。車(chē)身控制模塊包含多個(gè)高端驅動(dòng)器(High Side Driver)通道，為車(chē)輛中的多個(gè)不同接地負載提供開(kāi)關(guān)功率。每個(gè)高端驅動(dòng)器通常都有限流，并且最少有標準失效模式的一個(gè)子集作為診斷信號，如對地短路、電池短路、負載器件導通/關(guān)閉開(kāi)路等。如果這些高端驅動(dòng)器正好適合為白熾燈泡供電，那么限流就必須適應高浪涌輸入電流及高穩態(tài)電流，并使高端驅動(dòng)器的限流閾值非常高。然而，白熾燈泡燒毀時(shí)，高端驅動(dòng)器可以輕易地確定開(kāi)路故障，因為白熾燈泡故障開(kāi)路，車(chē)身控制模塊的高端驅動(dòng)器輕易檢測到零電流?；贚ED的組合尾燈相應的開(kāi)路狀況不同，車(chē)身控制模塊的高端驅動(dòng)器和組合尾燈的穩流器需要予以特別的考慮。

圖1. 汽車(chē)車(chē)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)的拓撲結構：交叉連接(cross coupled)或串聯(lián)串連接(series strings)。圖2a和圖2b詳細描繪了這兩種拓撲結構，提供給LED陣列的電流通過(guò)功率電阻來(lái)限制。大多數LED不容許并聯(lián)連接，因為L(cháng)ED正向壓降可能不匹配，導致不平衡電流均流(current sharing)。尾燈模式下電流均流更趨復雜，因為電流要求較低。由于LED以額定工作電流(及“停車(chē)”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拓撲結構更受青睞。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(zhuān)門(mén)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(chē)”饋電線(xiàn)路中配有阻隔二極管。

圖2a(上). 交叉連接拓撲結構；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計問(wèn)題，必須符合政府要求(如美國的聯(lián)邦機動(dòng)車(chē)安全標準FMVSS 108)。美國的這項規范要求在某個(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，總電流轉供給剩下的LED，導致剩下的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(xiàn)束，結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)路測量。

圖2b中應用了N-1規則，從LED陣列中移除3顆LED，總電流略微下降，但車(chē)身控制模塊檢測不到這變化。然而，LED開(kāi)路檢測電路數量減少到要求的電流源數量或LED串數量。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，如果確保診斷信號的話(huà)，串聯(lián)串拓撲結構就是恰當的選擇了。這就直接適用于基于LED的轉向指示燈，這種燈使用診斷指示來(lái)閂鎖整個(gè)LED陣列，使車(chē)身控制模塊能夠作出真正的負載開(kāi)路檢測，并且警示驅動(dòng)器。某些地區市場(chǎng)強制要求停車(chē)燈功能帶有這種閂鎖特性。

市場(chǎng)上存在著(zhù)提供匹配汲電流、為多串LED供電的專(zhuān)用標準產(chǎn)品(ASSP)線(xiàn)性集成電路的商機。這種器件應當提供診斷信號，這信號在LED串中任何LED適用于N-1規則時(shí)用途標記(flag)。這種警示標記能用于閂鎖整個(gè)組合尾燈，迫使車(chē)身控制模塊檢測到開(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(chē)負載需要承受的各種短路及瞬態(tài)電氣條件下更為強固。

安森美半導體開(kāi)發(fā)的NCV7680滿(mǎn)足組合尾燈工程師以任何拓撲結構例行應用各種LED陣列所需的要求。因為成本及電磁干擾(EMI)問(wèn)題，這器件專(zhuān)門(mén)設計為恒流線(xiàn)性穩壓器而非開(kāi)關(guān)電源。

圖3a顯示了NCV7680的框圖。每路輸出穩流的電流通過(guò)單顆電阻在Rstop引腳設定。這電阻提供特定的小電流，用于在每路輸出復制。輸出電流可以設定為每串最低不到10 mA，最高100 mA，使得總穩流電流為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(chē)環(huán)境溫度范圍(-40℃至+125℃)下達到低于5%。

觸發(fā)了“停止”輸入時(shí)，所有輸出導通，并以設定的Rstop值穩流。輸出一直保持導通，直到“停車(chē)”輸入周期結束。如果“停車(chē)”引腳循環(huán)至低電平，且車(chē)身控制模塊仍在以二極管Or(見(jiàn)圖3b)來(lái)為L(cháng)ED陣列饋電，NCV7680就恢復到內部脈寬調制(PWM)模式，輸出/串以平均電流強度值來(lái)調光。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占空比設定在0到80%之間。內部振蕩器頻率內部設定為1 kHz，最為重要的是，電流轉換率(slew rate)限制為低等級的6 mA/μs。因為PWM電流波形的緣故，這就確保不會(huì )出現輻射問(wèn)題。診斷信號是源自八路電流輸出的內部二極管Or。每次“停車(chē)”輸入升至高電平，診斷信號就被拉至低電平。如何任何LED串開(kāi)路，“停車(chē)”功能將激活，導致沒(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(xiàn)性穩壓器，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(pán)，但在某些情況下需要額外的幫助來(lái)管理汽車(chē)電壓下降。這器件用于驅動(dòng)高端P溝道MOSFET的外部門(mén)極或PNP雙極晶體管的基極。這器件帶有反饋引腳，由內部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計直接的功率通道。

圖3b是NCV7680的應用電路圖。這組合尾燈以“停車(chē)”電流電平來(lái)調制，而在“尾燈”模式下，電流精確地調節至Rstop電流值的15%。這設計集成了鎮流器晶體管Q1以及電阻R11和R12，用作線(xiàn)性穩壓器，限制NCV7680的壓降。如果任何LED運用了N-1規則，就會(huì )使Q2、Q3及診斷輸出動(dòng)作，導致整個(gè)LED陣列閂鎖。一旦LED陣列閂鎖，“停車(chē)”線(xiàn)路需要拉至低電平，然后