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LED车灯五大技术挑战 解决问题方能推广
[2011/9/1 14:35:00]   来源:中国之光网   编辑:zhaomingr   评论0
摘要:国内车用LED的规模目前仅占汽车光源市场10%左右的小份额,目前主要还是比较集中在高端车应用中。尽管LED灯成本在持续下降,但要做到与传统光源不相上下,还需要在质量和产量上逐步提高,才能降低LED成本,扩大LED的汽......
 

国内车用LED的规模目前仅占汽车光源市场10%左右的小份额,目前主要还是比较集中在高端车应用中。尽管LED灯成本在持续下降,但要做到与传统光源不相上下,还需要在质量和产量上逐步提高,才能降低LED成本,扩大LED的汽车电子市场占有份额。


  五大技术挑战


  成本高并非是延缓LED灯在汽车电子应用的唯一因素,一些技术性能方面的难题也是需要去解决的,比如单个LED的光照强度仍显不足,这就不能够随意减少LED的数目去缩小灯具体积。


  同时较小的体积不利于光源散热,这就需要LED厂家做好产品的热管理,才能将LED的优势发挥得更充分,无论对于LED的寿命或演色性都能提供较佳的状态,否则只能是适得其反,降低了产品质量;


  LED驱动系统的转换效率也是目前比较关键的问题点,在大功率应用中很多方案在兼顾成本的同时转换效率并不高;还有目前我国LED灯应用在汽车电子都属于高端车,而高端车都大部分在国外汽车厂商控制,国外厂家对LED供应商的选择和认证非常苛刻,国内LED企业很难进入其供应链中。


  再有我国的LED灯生产水平大部分还停留在民用产品的要求范围内,很难达到汽车级应用标准,即使达到汽车级应用的一些厂家可能生产能力及保证产品一致性等方面也不一定够,很难满足量产汽车的大批量高质量的需求。


  因此LED灯要想加快在整个汽车光源上的占有率,必须首先在这些问题上加大解决力度,如上所述的热管理问题、生产成本及产品一致性问题等等。


  汽车要求分立式LED驱动电源


  用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性,并且影响LED的可靠性、寿命和光衰。因此,LED必须使用恒流源驱动。大多数LED都有规定的电流值,可以使用配置为恒流源的线形稳压器来驱动,线性稳压器具有减少零部件数和降低电磁干扰(EMI)的优点,但在效率和热耗方面有严重的弊端,不适合大功率应用,用开关式电源(SMPS)则更适合在各种应用中。


  目前采用SMPS模式LED驱动电源是市场主流,同时也分为分离器件组合方式和IC集成方式,IC集成模式如台湾聚积科技(MacroBlock)、Zetex(Diodes)、TI和NSC等,主要特点是内置MOSFET及其驱动电路,同时有些集成了多路驱动、自动调光和各种保护功能等,应用电路简单,体积小,易于控制成本,但是由于这种应用驱动电流小,设计不够灵活,控制精度不高,不能实现升压模式等原因,在多数汽车电子应用中有很大局限性,而采用PWM控制芯片及外置MOSFET实现的分离模式则可以实现汽车电子中大功率,高效率以及高稳定性的应用,它可以通过不同的拓扑结构,结合LED对电压,电流和功率的需求,实现符合系统的整体目标。在成本上也会随着用量逐步降低。


  欧洲前装市场主流方案


  目前MCU+MCP1630方案应用在欧洲应用相当广泛,占欧洲前装市场70%以上的市场,主要应用在大灯(远光灯)、尾灯、闪灯等应用,该芯片以其高可靠性能,高效率,灵活的功能,高性价比在汽车电子LED驱动应用中树立了很好的口碑,为国外一些大厂商LED驱动的首选,同时,随着用量的不断增大,MCP1630成本优势也在越来越明显,完全可以在中低端车型中应用,更好地解决LED驱动中的热管理、效率、产品一致性等问题。


  MCP1630是可用来开发智能电源的一种高速脉宽调制器。MCP1630在峰值电流模式下可以达到1MHz频率,CMOS输出驱动器可以直接控制MOSFET驱动器或者低端N沟道MOSFET,可提供外部参考电源,灵活实现输出电压及电流调节设置;内部高速比较器,高速带宽/误差放大器可以实现更快更精确的电流检测,同时集成了过温保护、欠压锁定功能,更好地实现更好的热管理。当与单片机配合,它可以通过控制电源系统的占空比以提供稳定的输出电压或电流。单片机则用来调整输出电压或电流、开关频率、最大占空比以及可提高电源系统智能化和可调节性的其他特性。


  在LED驱动系统中,如果电源电压超出总LED电压,就需要降压转换器。如果LED组的电压超出电源电压,就需要升压转换器。在汽车电源系统中,LED电压可能高于或低于电源电压,这样,就应该采用降压/升压或单端初级电感转换器(SEPIC)等电源拓扑技术。MCP1630能实现以上各种拓扑设计需要。同时秉承Microchip产品的一贯作风(高稳定性和产品一致性),使LED的生产成本和质量都得到提高。下面就以Microchip公司的高速PWM芯片MCP1630为例,通过SEPIC拓扑结构去阐述该方案的在汽车电子应用中的适用性。


  Microchip推出了采用PIC12F1823+MCP1630的SEPIC拓扑的针对汽车尾灯/闪灯应用DEMO,可实现+9V到+16V的输入电压,最高输出电压达到55V@350mA,驱动10个1.5WLED灯,同时实现分级调光、欠压、过温保护等功能,转换效率达85%以上。


  该应用中MCP1630能够使LED的负载电流在各种因素的影响下都控制在预先设计的水平上,电路将一个基准电压或电流信号Vref与LED负载电压或电流信号FB送入信号控制模块中进行比较,误差信号经处理后送回初级控制IC中进行处理,当负载电流因各种因素而产生变化时,初级控制IC可以通过控制开关使负载电流回到初始设计值上。通过反馈及过温检测,可以很好实现热管理。


  在所采用的拓扑上,SEPIC转换器的效率虽然不如降压稳压器或升压稳压器,但它也有其优点,SEPIC同时拥有升压及降压的能力,特别适合汽车在冷启动的时候,电压有可能低至4.5V左右,而另一方面,在汽车过载等情况下电压会突升到40V以上的突升突降应用,另一个极受汽车应用关注的优点在于其电路中间的电容器,它可为输入与输出之间提供非常有效的隔离。当然SEPIC转换器还有一个明显的缺点是需要两个电感器才能运作。本应用中将两个电感以同心圆方式缠绕成对立的两个分离元件,既节约成本又节约体积。同时MCP1630在峰值电流模式下由于有高速比较器的存在,可以在12ns内快速响应,实现快速高精度的电流闭环。同时PIC12F1823通过AD检测也能实现电压检测,实现高效率控制。


  除了可以作为SEPIC拓扑应用,MCP1630同样可以应用于单独的升压/降压电路中,主要应用于汽车头灯与日间行车灯等,可以实现LED串联,实现更高效控制应用


  除了MCP1630应用,Microchip还推出了低成本MCU集成式LED驱动应用方案,如PIC12HV615,PIC16HV785,其内部集成了高压稳压器、高速硬件PWM模块、比较器、ADC、运放、电压基准等等,可以实现升压或者降压控制,应用于车载设备背光源、仪表背光源、刹车照明灯等小功率应用中,将传统CCFL背光转成LED背光。MCU的丰富资源可以实现更多的智能化功能,高度集成的应用降低了成本,也简化了设计,节约了空间,同样有助于克服热管理,提高效率。但是该应用目前还不太适合在大功率应用中。

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