发光二极管(LED)驱动器电子产品可改进汽车前灯样式

2016-01-13 18:55:55来源: EEWORLD作者: 作者: James Patterson, 德州仪器(TI)Electronic Design
1990年以前,标准的汽车前灯组装件只包含白炽光源,并且大多是独立的,以创建所需的全部功能。无论这些功能是由密封光束灯创建还是由灯泡、反射器和光学组装件创建,它们都以相似的方式运行。光模式是静态的,且主要由反射器和光学器件限定。受支持的标准照明模式是远光灯、近光灯、转向信号灯、位置灯和雾灯模式。数十年来,这些功能仅提供了在大多数情况下安全驾车所需的基本配光选项。
 
20世纪90年代初,一种全新的高强度放电(HID)源出现了。这种放电源能产生更高效、更明亮的灯光,并支持近光灯和远光灯功能。然而,在向HID过渡以后,曾经简单的电池连接就不足以控制灯光了。相反,HID源需要高级电力电子产品,来把直流电池电压源转换成能合理调节光输出的谐振交流电源。
 
这种变化把曾经只涉及机械和光学系统的设计带入高级电子产品设计人员的设计领域。在接下来的20年中,HID系统被工程师进一步改进成可同时实现远光灯/近光灯功能的高成本效益的解决方案。。然而,它仍然不具备更多的高级照明功能,因为单一的光源会受到固定尺寸的约束。
 
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2007年,首批基于发光二极管(LED)的前灯被应用在新型汽车中。基于LED的系统因光源极小,所以可赋予设计人员更大的灵活性。当然,LED的调节还需要依靠某种电源的转换。具体而言,要把电池电压源转换成适用于串联或串联/并联型LED阵列的恒定电流驱动源,LED驱动器是不可或缺的。
 
与HID电子产品相似,LED驱动器也会增加汽车前灯系统的成本和复杂性。尽管如此,LED驱动器固有尺寸减小了,强度和颜色的可控性显著提高了,并且效率也有所提升。这给汽车制造商带来的好处是:系统被改进得更适合销售。另外,设计人员还可以利用设计美观和新颖的外形,该外形还可为汽车制造商建立有效的品牌认知度。
 
纵观过去的8年,LED汽车前灯已慢慢从日间行车灯(DRL)或雾灯等单个LED功能选项,演变成一个集多功能于一身的完整LED前照灯系统。今天,大多数中高档汽车均有一个完全基于LED的汽车前灯选项。现在,让我们深入地了解一下LED汽车前灯系统。
 
LED汽车前灯架构
由于相关组件固有的功率级,LED汽车前灯组件通常被设计成一个单级开关模式电源。一般而言,为了在负载突降和冷车启动情况下提供调节功能,降压-升压型拓扑结构是首选。在负载突降期间,电池电压可能会上升到60V(有时甚至更高);而在冷车启动期间,电池电压则可能下降到4.5V甚至更低!在任一极端的输入条件下,降压-升压型转换器均可对流至LED串(总正向电压高于或低于电池电压)的输出电流进行调节。
 
 
1.这个典型的汽车前灯系统实施了一种单级功率架构,其中每个转换器均可在该系统里调节一种不同的功能。
 
一个完整的前照明系统常由多个转换器组成,每个转换器负责调节该系统的不同部分(图1)。一般用独立的LED串支持每种汽车前灯功能。通常只有DRL和位置灯经过多路复用成为一个串。在这种情况下,通过脉冲宽度调制(PWM)功能以大约10%的占空比对DRL串进行调光来创建位置灯。
 
大多数现有的LED汽车前灯都具备两个基本的电子组件:汽车前灯内的LED阵列连同相关的光学和机械组件,以及置于耐候性外壳内、通常从外部连接的照明控制单元(LCU)。LCU印刷电路板(PCB)包含电流调节器等电源转换器以及可与系统中其它电子控制单元(ECU)进行通信的微处理器和收发器。位于驾驶舱附近的车身控制单元(BCU)可将命令发送到LCU,以管理汽车中的所有车身功能。
 
LED阵列本身位于金属芯PCB(被连接至某个类型的散热系统)上。该电路板通常包含可对所需系统输出电流进行编程的LED、温度补偿和电流分档信息。汽车前灯将含有多个LED阵列PCB,包括同时支持多种(如果不是全部)功能的独立电路板。
 
自适应前照明系统
 
各种汽车已在前灯(通常被称为自适应前照明系统 (AFS))中具有更复杂的功能。当前基于HID的AFS系统具有自动校平电机,该电机可校准汽车位置相对于地形的垂直变化。这就能确保灯在垂直轴上被精确地对准,以免违反有关远光灯和近光灯模式的规定。
 
此外,某些AFS还可改变HID源的水平位置(相对于方向盘位置)、速度,有时还能改变摄像头输入。该功能可在驾驶员需要察看路况或是在潜在险情时,最大限度地增加光的输出。不过,步进电机需要利用HID源来实现这样的功能。步进电机会限制一次对多个条件作出反应的能力,可能会在汽车的整个生命周期中产生可靠性问题。
 
相同的AFS功能可在LED汽车前灯中轻而易举地实现,增加的优势是更强、更综合的可控性以及更高的可靠性。为获得高动态功能,可利用前视摄像头(通常出现在后视镜组装件内)来控制用于整个AFS的动态光输出。这对于无眩光远光灯系统(该系统允许驾驶员在任何时间同时使用远光灯和近光灯)特别有用。在这样的一个系统中,该摄像头可在检测到迎面驶来的汽车时,控制前灯系统关闭相关区域的灯。事实上,该摄像头还有更先进的功能,如行人检测功能、车道照明功能、避免碰撞功能以及其它安全关键功能。
 
自适应汽车前灯架构
 
自适应汽车前灯必需的增强型动态功能要求一种不同类型的电力电子架构。考虑到在输入端出现负载突降和冷车启动的情况下需要支持快速变化的输出条件,两级拓扑结构通常更受青睐。最常见的解决方案是采用一个升压型稳压器将电池输入转换成稳定的高电压直流轨,然后再用独立的降压型转换器来分别驱动系统中的每个串联型LED串。
 
 
2.自适应汽车前灯系统可采用两级功率架构 —— 一个级能平息电池的输入瞬变事件,另一个级则可确保对输出的一致性调节。
 
该系统更能在宽范围的条件下进行精确调节,原理是第一个级可平息汽车电池的输入瞬变事件,而第二个级则可保证在所有时间对输出的调节都是一致的(图2)。此外,与单级降压-升压型系统相比,该拓扑结构还能更有效地减少传导和辐射的电磁干扰(EMI),因为输入和输出电流都是连续波形。对于最高动态的系统(如无眩光远光灯),当进行PWM调光时通常需要降压输出来实现所需的调光分辨率和对比度。
 
LED矩阵管理器
 
虽然自适应汽车前灯架构看起来很有前途,但您如何有效地实现动态功能呢?如果我们把该系统作为可控光模式的系统看待,那么我们可把它解析成像素级控制图。当然,像素的定义可能有所不同,但以理想的方式分别控制每一个LED可带来最大的设计灵活性。对于这个两级升压-降压型架构,TPS92661-Q1 LED矩阵管理器可提供这些功能。
 
 
3.这种自适应汽车前灯架构采用德州仪器(TI)的TPS92661-Q1 LED矩阵管理器,该管理器能在LED总数多达96个的设计中对每个LED进行独立的PWM控制。
 
在包含多达96个LED的系统中使用TPS92661-Q1可以实现像素级控制(图3)。该器件可为每一个LED提供独立的PWM控制。此功能(假定调光比为1000:1,且调光频率是可编程的)可实现几乎任何级别的动态控制。无眩光远光灯、动态折射光以及任何其它类型的AFS功能都更容易添加到任何两级LCU设计。该矩阵管理器可直接安装到LED阵列所在的金属芯PCB上,从而有助于优化热连接和系统性能。
 
该器件具有12个串联开关,这些开关的设计目的是以给定的占空比和频率对LED周围的电流进行分流。借助LCU上的微控制器实现的串行通信可为将被接收的高速调光命令(并且几乎在瞬间按其行事)提供路径。
 
另外一个优势与固有的故障覆盖率相关。和典型的LED串驱动器不同的是,TPS92661-Q1可分别接触到每个LED,使其能检测并防止任何故障。这添加了一个额外的覆盖层,有助于延长汽车前灯的寿命。如果单个LED在开路或短路情况下发生故障,那么该LED串就能得到保护,且周围的LED输出能被增加,以维持所需的光级。
 
总之,LED矩阵管理器为汽车制造商提供了一个前所未有的全新照明系统平台。无论是完全动态的AFS系统,还是复杂的迎宾灯序列,亦或是程式化的连续转向指示灯,通过灵活、可扩展的像素级控制,就可以实现任何功能,。

关键字:车前灯

编辑:刘东丽 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/article_15105.html
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