外部環(huán)境中汽車級LED和設備驅(qū)動程序的條件保護

即使是汽車級LED和LED設備驅(qū)動器在外部汽車照明應用的惡劣電氣環(huán)境中使用時也可能需要額外的保護。高可靠性是至關重要的，特別是前向和后向燈在新的車輛安全功能中發(fā)揮重要作用，可能導致在某些危急情況下對某些方面進行自主控制。

本文將考慮LED驅(qū)動器如何通過包含更高集成度的設備（包含診斷和保護功能）的附加電路，可以保護IC免受短路和其他故障條件的影響。將參考凌力爾特公司的汽車級LED驅(qū)動器和TI的電流檢測監(jiān)視器。

自適應照明

實際上，目前市場上任何新型號的汽車都將包含LED ，用于室外或室內(nèi)照明，或兩者兼而有之。它不僅具有低功耗，長壽命和高效率的特點，而且具有吸引力;也不僅僅是它們的靈活外形將“概念車”式照明集群和車身設計帶入了家庭環(huán)境。將LED與傳感器和電子控制裝置輕松集成的能力是最令人信服的原因之一。它是高級駕駛員舒適性和安全性的關鍵，例如自適應照明，自動傾斜，物體檢測和停車輔助。

對于自適應照明，多個LED被集成到一個簇或矩陣中，這樣可以打開和關閉各個LED或調(diào)暗以產(chǎn)生適合條件的光輸出。汽車上的外部傳感器不僅可以檢測由于天氣條件或夜晚降低的環(huán)境光線水平，還可以檢測角落和迎面而來的大燈等物理特性，從而可以自動調(diào)節(jié)光束寬度和投影（圖1）。

圖1：奧迪的Matrix LED大燈展示了其自適應能力，避免在繼續(xù)照亮道路時使迎面而來的駕駛員失明。每個前照燈單元中使用大約25個可單獨控制的LED。

汽車外部燈被認為是安全裝置，因此受到高度監(jiān)管。盡管LED比它們?nèi)〈臒襞莞?a target="_blank">機械堅固，但LED仍然必須符合嚴格的汽車標準，以確?？煽啃院桶踩?。最初，LED必須符合AEC-Q101標準（汽車級分立半導體的壓力測試資格），但現(xiàn)在新的，更合適的LED法規(guī)正在發(fā)展。

當然，汽車照明應用中必不可少的相關電子控制，電源管理和電路保護設備必須符合AEC-Q100（用于集成電路），AEC-Q101（分立元件）或AEC-Q200（無源元件）。符合汽車標準的電子設備需要在擴展的溫度和濕度范圍內(nèi)展示可靠的操作，并能夠承受振動和刺激性化學品，以及瞬態(tài)和EMI。在前照燈應用中，例如前照燈或日間行車燈（DLR），LED和驅(qū)動器通常在高功率水平下工作，在矩陣設計中高達75 W，使EMI成為特別的挑戰(zhàn)。

無論是由于機械還是電氣問題，外部照明故障都可能是災難性的。在夜間駕駛時，外部燈不僅是必不可少的安全功能，而且還可以與其他安全功能集成。此外，短路可能產(chǎn)生電弧，在碰撞的情況下，可能點燃泄漏的燃料。顯然，高可靠性LED和驅(qū)動器是必不可少的，并且符合相關的AEC質(zhì)量標準是一個開始。但是，仔細選擇LED驅(qū)動器非常重要，并且需要對電氣短路，欠壓，過壓，過流和反極性進行額外保護。

拓撲選擇

對于合理的高功率應用，例如汽車前照燈，通常使用開關穩(wěn)壓器。 LED通常需要恒定電流才能產(chǎn)生一致的光輸出; LED驅(qū)動器必須能夠改變輸出電壓以保持恒定電流。總輸出電壓取決于許多參數(shù)，例如LED工藝和芯片溫度，以及串聯(lián)的LED數(shù)量。設計人員需要準確預測最大輸出電壓，以便選擇最佳的穩(wěn)壓器拓撲，從而選擇驅(qū)動器IC和相關組件。

有用的應用筆記可從德州儀器（TI），設計挑戰(zhàn)的開關LED驅(qū)動器 1 獲得。它警告說，如果最大輸出電壓超過最小輸入電壓，降壓調(diào)節(jié)器，即使具有高占空比，也可能在某些情況下失去動力。它詳細介紹了如何最好地設置LED紋波電流的容差，以及何時需要更嚴格的控制和濾波。最后，它概述了如何計算一串LED的動態(tài)電阻，顯示它如何隨著正向電流的變化而變化。

在一些汽車外部照明應用中，LED陣列或矩陣可以遠離驅(qū)動器/控制器。在這種情況下，升壓轉(zhuǎn)換器可能是更合適的拓撲選擇。在驅(qū)動LED串時，通常首選基于升壓的驅(qū)動器架構(gòu)。

然而，在這兩種情況下，輸出短路條件都是可能的。最近推出的用于汽車照明的LED驅(qū)動器包括內(nèi)置的強大的短路保護功能。但是，可以使用電流分流監(jiān)控器簡單地安裝保護電路，并根據(jù)應用，額外的元件，如外部MOSFET開關和感應電阻器。

德州儀器（TI）提供多種符合AEC-Q100標準的器件，包括INA20x系列，這是一款高端電流分流監(jiān)控器，能夠在-16至80 V的共模電壓下檢測分流器的壓降。該器件采用2.7 V至18 V單電源供電，最大電流為1800μA，具有三個輸出電壓范圍，20 V/V（INA200-Q1），50 V/V（INA201-Q1）和100 V/V（INA202-Q1）。這些器件采用開漏比較器和內(nèi)部基準電壓源，提供0.6 V閾值。 TI還提供參考設計和數(shù)據(jù)表，解釋其操作 2 。

同步降壓轉(zhuǎn)換器還可用于調(diào)節(jié)某些汽車照明應用中LED的電流。為了實現(xiàn)高效安全的操作，電流檢測監(jiān)視器，高端檢測電阻，電阻分壓器和運算放大器也可以集成到這些設計中。這種類型的配置還將精確控制LED中的電流，以便保持恒定的亮度，以及提高效率。

多模式驅(qū)動程序

選擇LED驅(qū)動程序時，了解現(xiàn)在有多種設備可用于升壓，降壓和降壓 - 升壓模式架構(gòu)，這一點非常有用。汽車級多模設備的供應商包括但不限于Allegro Microsystems，Linear Technology，Maxim Integrated，ON Semiconductor，STMicroelectronics和Texas Instruments。

凌力爾特公司的LT3797是一款三輸出DC/DC控制器，專門設計用于獨立驅(qū)動三串LED。該器件可在升壓，降壓，降壓 - 升壓模式，SEPIC或反激拓撲中工作。固定頻率，電流模式設計可在2.5至40 V的寬輸入電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。集成的DC/DC轉(zhuǎn)換器為三個通道的N溝道MOSFET柵極驅(qū)動器提供穩(wěn)定的7.5 V電源。每個轉(zhuǎn)換器都可以使用最合適的配置來驅(qū)動其LED負載，無論是升壓，降壓還是組合。其他功能包括集成電流檢測監(jiān)控，開路LED保護，短路保護，故障標志，可編程過壓和欠壓鎖定以及PWM調(diào)光。

功能安全性

隨著電子設備在車輛中承擔如此多的關鍵功能，現(xiàn)在有一種趨勢，即汽車制造商堅持硬件和軟件符合功能安全標準ISO26262。對于諸如ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）之類的新功能，以及車輛可以自動覆蓋駕駛員的任何功能，這可能成為強制性要求。依賴于視覺系統(tǒng)的安全特征也可以與外部照明集成，使得甚至LED及其相關的電子設備可能需要滿足該標準。

雖然與嵌入式軟件特別相關，但也會對硬件組件產(chǎn)生影響。從本質(zhì)上講，功能安全標準不僅需要廣泛的測試，還需要在整個設計過程中構(gòu)建安全案例。

結(jié)論

LED正成為汽車外部照明的首選技術(shù)。但是，二極管及其驅(qū)動器需要滿足相關的汽車標準，還可能需要增加額外的短路和EMI保護。 LED驅(qū)動器越來越集成以實現(xiàn)這種保護。