汽車LED組合尾燈及其實際應用
由于LED固有的長使用壽命及利于新穎造型設計的優(yōu)勢，汽車設計社群近年來越來熱衷于使用LED。跟發(fā)光點單一的白熾燈泡不同，汽車應用中結(jié)合使用多顆LED來提供停車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(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。每個組合尾燈中的LED串數(shù)量最低可以是2串，或最多超過8串。當涉及到大批量LED及它們固有的光強度分布問題時，基于電阻的電流源會帶來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，符合客戶及政府制定的光輸出要求。
基于硅的專用標準產(chǎn)品(ASSP)有機會為基于串聯(lián)LED串的組合尾燈提供穩(wěn)流功能。本文將討論一個ASSP實例，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，還將展示相關應用電路，介紹在某個LED開路的情況下如何提供LED陣列的自動閂鎖。這閂鎖電路構(gòu)成模仿白熾燈故障所要求的“一個故障則全部故障”(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燈成為適宜的技術選擇。白熾燈相對于LED燈的主要折衷優(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(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技術相比而言，燈開路條件給車身控制模塊(BCM)帶來的問題也大為不同。
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高端驅(qū)動器(High Side Driver)通道，為車輛中的多個不同接地負載提供開關功率。每個高端驅(qū)動器通常都有限流，并且最少有標準失效模式的一個子集作為診斷信號，如對地短路、電池短路、負載器件導通/關閉開路等。如果這些高端驅(qū)動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(wěn)態(tài)電流，并使高端驅(qū)動器的限流閾值非常高。然而，白熾燈泡燒毀時，高端驅(qū)動器可以輕易地確定開路故障，因為白熾燈泡故障開路，車身控制模塊的高端驅(qū)動器輕易檢測到零電流?；贚ED的組合尾燈相應的開路狀況不同，車身控制模塊的高端驅(qū)動器和組合尾燈的穩(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LED的排列通常有兩種常見的拓撲結(jié)構(gòu)：交叉連接(cross coupled)或串聯(lián)串連接(series strings)。圖2a和圖2b詳細描繪了這兩種拓撲結(jié)構(gòu)，提供給LED陣列的電流通過功率電阻來限制。大多數(shù)LED不容許并聯(lián)連接，因為LED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”電流)來衡量特性，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(jié)構(gòu)更受青睞。圖2a中的單顆功率電阻在圖2b中分為幾個不同的功率電阻，分別專門用于各個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). 交叉連接拓撲結(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計問題，必須符合政府要求(如美國的聯(lián)邦機動車安全標準FMVSS 108)。美國的這項規(guī)范要求在某個LED開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并不會降低供電電流；相反，總電流轉(zhuǎn)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LED會開路， 每個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上都能輕易地進行開路測量。
圖2b中應用了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不到這變化。然而，LED開路檢測電路數(shù)量減少到要求的電流源數(shù)量或LED串數(shù)量。雖然圖3中故障開路的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，串聯(lián)串拓撲結(jié)構(gòu)就是恰當?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閂鎖整個LED陣列，使車身控制模塊能夠作出真正的負載開路檢測，并且警示驅(qū)動器。某些地區(qū)市場強制要求停車燈功能帶有這種閂鎖特性。
市場上存在著提供匹配汲電流、為多串LED供電的專用標準產(chǎn)品(ASSP)線性集成電路的商機。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(guī)則時用途標記(flag)。這種警示標記能用于閂鎖整個組合尾燈，迫使車身控制模塊檢測到開路狀況。此外，這種器件中還可以增添諸如過溫關閉和功率反走等功能，使其在汽車負載需要承受的各種短路及瞬態(tài)電氣條件下更為強固。
安森美半導體開發(fā)的NCV7680滿足組合尾燈工程師以任何拓撲結(jié)構(gòu)例行應用各種LED陣列所需的要求。因為成本及電磁干擾(EMI)問題，這器件專門設計為恒流線性穩(wěn)壓器而非開關電源。
圖3a顯示了NCV7680的框圖。每路輸出穩(wěn)流的電流通過單顆電阻在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(wěn)流電流為800 mA。LED串電流較高時輸出可以一起短路。各路輸出的匹配精度在完整汽車環(huán)境溫度范圍(-40℃至+125℃)下達到低于5%。
觸發(fā)了“停止”輸入時，所有輸出導通，并以設定的Rstop值穩(wěn)流。輸出一直保持導通，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(見圖3b)來為LED陣列饋電，NCV7680就恢復到內(nèi)部脈寬調(diào)制(PWM)模式，輸出/串以平均電流強度值來調(diào)光。這就是“尾燈”模式，占空比能以Rtail值來選擇。這個接地的電阻可以將尾燈PWM占空比設定在0到80%之間。內(nèi)部振蕩器頻率內(nèi)部設定為1 kHz，最為重要的是，電流轉(zhuǎn)換率(slew rate)限制為低等級的6 mA/μs。因為PWM電流波形的緣故，這就確保不會出現(xiàn)輻射問題。診斷信號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，診斷信號就被拉至低電平。如何任何LED串開路，“停車”功能將激活，導致沒有診斷激活。而使用簡單的上拉電阻，即可使電路完整，提供簡單的診斷功能。
圖3a. 提供開發(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大問題。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管理汽車電壓下降。這器件用于驅(qū)動高端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參考來控制。這種特性并非必須使用，但是，LED始終存在散熱問題；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”電流電平來調(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%。這設計集成了鎮(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運用了N-1規(guī)則，就會使Q2、Q3及診斷輸出動作，導致整個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。這就確保無顫振(無chatter free)特性，降低的電流會減少至低于6 mA，并且能夠輕易地被車身控制模塊感測到。
結(jié)論
LED組合尾燈如果需要瞄準全球市場，則需要特別注意。有規(guī)范強制某些組合尾燈應用根據(jù)N-1規(guī)則來提供診斷功能或是閂鎖功能。安森美半導體的NCV7680能夠用于應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，防止過壓、過載及過溫關閉的不利影響。