安森美先进的汽车照明半导体方案使道路更安全，车辆更节能

作者：安森美

智能汽车照明正不断演进，转向基于LED的方案，提高道路安全性，实现节能3到5倍，增强用户体验，且创新的车灯造型设计以及可靠性的提升，还不断拓宽汽车照明的新境界。安森美(onsemi)关注汽车领域的趋势发展，不断推出创新的智能电源和智能感知技术，以确保道路安全，也是汽车照明领域的开拓者和引领者。本文聚焦汽车外部照明的系统级应用和安森美相关设计的半导体方案，包括矩阵/像素灯、造型定制及车联万物 (V2X)。

前照灯及SPI接口LED驱动器模块

前照灯包括近光灯、远光灯、日行灯、示宽灯、转向灯和雾灯。由于系统总功率非常大，而且集成了很多功能，需要更多的散热，设计相对复杂，因此，一般会把前照灯的LED驱动电路单独做成一个模块，有助于加快研发周期，平台化项目管理，可灵活用于多种车辆结构和灯组造型。高级LED驱动模块可最优化前大灯性能，能为单个LED灯珠或多个LED灯串供电，可编程，以实现对各类汽车灯光的控制，最小化电能消耗，含安全诊断功能和车载网络(IVN)。

安森美的LED驱动模块具备更高的集成度和可靠性，平台化设计提供扩展性和灵活性，适用于各种前照灯设计，智能的功能分区有助于降低成本，还实现独特的前向照明效果，减少碳排放，有助于电动车增加续航。如图1是一个前照灯系统中LED驱动电路的框图，这6通道LED模块可驱动多组LED灯串，对应远光灯、近光灯、柱形灯、角灯、转向灯等，含LED驱动芯片、步进电机驱动芯片、各种传感器接口、电源及电源管理芯片、接口保护芯片、车联网芯片SBC和单片机等，是个可自主工作的小系统。


图1：可驱动多组LED串的前照灯模块

安森美的单通道LED驱动器系统单芯片(SoC)，集成了车灯所需要的安全与控制功能，比传统方案简化了外围器件，优化了电路的设计，可使设计人员快速完成产品设计，非常适用于设计单一功能的LED车灯。

安森美已开发了4代SPI-LED驱动产品。第2代是Boost-Buck芯片NCV78763，第3代有多通道的Buck芯片NCV78723和多相Boost芯片NCV78702、NCV78703，最高输出电压达60 V，是目前市面上同类型产品中电压输出能力最高的，第3.5代是多通道同步整流Buck芯片NCV78825，驱动电流能力可达3 A，也是目前市面上同类型产品中电流驱动能力最大的。第3代以后的产品适用于3组以上的LED灯串。


图2：安森美的SPI-LED驱动产品选型图

如果采用两颗NCV78763 ，可驱动4个不同的LED灯串，将两个Boost并联，可输出更大功率，但这只是一种简单的功率加成，对于驱动更大功率的LED灯组，推荐采用多相交替工作的Boost芯片。在实际应用中，一颗NCV78702/NCV78703可配合多颗NCV78723，可驱动4到12个不同功率的LED灯串，全面覆盖远光、近光、柱形、转向、角灯、雾灯等功能。

在此基础上，若再加上采用同步整流Buck技术的NCV78825，可驱动更大功率的LED灯珠，提升系统能效，减少发热。

Boost-Buck电源结构的优势

Boost作为稳定的电压源，可保障多颗LED灯串所累加起来的压降需求。Buck作为稳定的电流源，直接驱动LED发光，由于电流源不受负载电压瞬变的影响，可实现快速的开关切换，在自适应远光灯(ADB)矩阵/像素灯组中，有非常出色的表现。这种架构还有利于平台化的设计，可任意搭配4到12组LED灯串，高度集成可减少外围器件数和物料单(BOM)成本，SPI通信和诊断功能提高设计安全性。

用于矩阵/像素前照灯的像素控制器

矩阵/像素灯组是一种汽车先进前照明系统，可增强前向的照明视觉，不仅服务于驾驶员，也适用于周围的交通环境如防眩光、随动转向、照亮障碍物、行人规避等。光束中的单个像素可受控打开/关闭，其中的像素是指LED阵列中的一颗LED灯珠，每个像素都有一个光束照亮的区域。光束智能照射可适配驾驶意图和交通环境，提高安全性。模块化设计可适配任何架构。

高级矩阵/像素灯组在多种驾驶场景中使前大灯功能最优化，包括照射更长距离，转弯时光束可切换，同时更清晰地照亮道路中的行人和障碍物，尽量减少对向车辆产生的眩光，可根据需要控制单颗LED像素的开关，且包含安全诊断和车联网等功能。图4是安森美的像素/矩阵灯组应用框图的一个例子，由4个LED灯串组成。


图3：像素/矩阵灯组应用框图

在像素灯控制芯片中，集成了12个旁路开关，每个旁路开关都可独立控制，我们将每3个旁路开关设定为一组，从而形成4组连接结构，从而灵活地匹配不同的功能模块如远光、近光、转向、日行、格栅、造型灯等。因为不同的LED灯板模块的驱动电流可能是不同的，这可扩展像素控制芯片的应用场景，不仅仅局限于由远近光组成的矩阵/像素灯应用，还可实现多组开关的并联，使得开关所能承受的电流成倍地增加，以驱动更大功率的LED灯珠。

LED灯组 – 串联型驱动 vs. 并联型驱动

在广泛的车灯中，LED灯组有两种驱动：串联型和并联型。上文介绍的矩阵/像素LED灯组是串联型结构。当LED灯珠的额定工作电流大于300 mA时，一般选择串联型结构，这种结构的缺点是压降大。安森美的LED驱动芯片拥有最高可升压至60 V 的Boost控制器，Buck芯片则负责控制整个灯串稳定的电流输出，因此安森美的采用Boost-Buck电源结构的LED驱动是这种串联型LED灯串的理想方案，同时安森美的像素灯控制芯片NCV78247和NCV78343也完美地匹配这种串联型的LED灯组。NCV78247集成了12个矩阵开关，每个开关的过电流能力是1 A，含SPI接口。NCV78343也集成了12个矩阵开关，每个开关的过电流能力提升到1.4 A，含UART接口，不但可用于由远近光组成的矩阵灯组，也适用于具有动画效果的转向灯、日行灯、格栅灯、造型灯等场景。

当LED灯珠额定工作电流小于100 mA时，一般选择并联型驱动，这种结构的LED灯串总的额定工作电流将会是所有灯串的累加，由于采用并联结构，所以每路压降都保持相同。因此，它不需要Boost升压电路，在输入端匹配一个Buck 转换器来稳定总输入电压，然后采用多路线性恒流源来负责LED的稳定驱动电流。安森美提供相应的NCV7685。


图4：LED灯组 – 串联型驱动vs.并联型驱动

用于车后组合灯 (停车灯、尾灯、转向灯、造型灯) 的LED线性驱动器

这类灯属于信号灯，用于提醒周围车辆和行人，本车即将要发生的驾驶意图，包括转弯、刹车、驻车等，同时车身上的各种造型也可作为汽车身份的一种标识，工作电流一般小于100 mA。车后组合灯有这些高阶功能：增强型停车灯、尾灯、转向灯是动态的分段式灯光信号，创新的车灯造型可实现以光束打造品牌、迎宾、动画等效果，可驱动单串、多串LED灯珠，更高能效，更少损耗，并含安全诊断功能。安森美提供单通道和多通道LED线性驱动器，如图6所示，单通道预驱动芯片有NCV7691/92，多通道预驱动芯片有NCV7693，多通道直接驱动芯片有专用于刹车、停车的NCV7683，以及带I2C接口的NCV7685。


图5：安森美的LED线性驱动器

NCV7692和NCV7693是恒流控制器，通过PWM控制信号驱动外置的NPN三极管，提供稳定的线性电流。因为NCV7693可控制3路LED灯串，所以可组合成动态的开关效果。NCV7683和NCV7685是8通道线性电流源，集成功率开关，每个通道的电流驱动能力分别是100 mA和60 mA。NCV7685有两种工作模式：标准模式下，通过外围电路设置芯片的各项参数，无需单片机介入，但只能进行简单的开关操作；I2C模式下，单片机通过I2C接口配置芯片的各项参数，可实现多样的LED灯串动画效果。

LED恒流调节器

这是在简单车灯应用中的高性价比方案，设计人员可根据下表的关键参数为应用匹配最适合的器件。这些LED恒流调节器在宽电压范围内提供恒定的电流，从而实现恒定的亮度。高温条件下，负温系数可保护LED。

表：LED恒流调节器选型


总结

汽车外部照明为进一步提升用户体验和安全开辟了道路，品牌等效和造型日益多样的选择，及可靠性的提升，都在不断拓宽汽车外部照明的新境界。安森美针对前照灯、矩阵/像素灯、车后组合灯都提供相应的半导体方案，具备高能效、高集成度、高可靠性，且平台化设计实现扩展性和灵活性，助力设计人员创新并简化和加快开发。安森美的智能电源配以智能感知技术，为提升道路安全铺平道路。