設(shè)計(jì)散熱更佳的多通道動(dòng)態(tài)車(chē)燈

汽車(chē)領(lǐng)域?qū)?a href="http://hljzzgx.com/v/tag/2364/" target="_blank">電氣化的推動(dòng)讓各種具有獨(dú)特功能的汽車(chē)不斷出現(xiàn)在人們的視野中，而且其增長(zhǎng)速度令人驚異。過(guò)去笨拙且功能單一的車(chē)燈也正在被新穎的、環(huán)繞汽車(chē)前部、后部或側(cè)面的細(xì)長(zhǎng)型設(shè)計(jì)所取代。不斷超越傳統(tǒng)的照明或信號(hào)傳遞意味著未來(lái)車(chē)燈的設(shè)計(jì)將面臨更多的挑戰(zhàn)，例如顯示復(fù)雜的模式和算法，與此同時(shí)還要應(yīng)對(duì)散熱管理、外形尺寸和成本方面前所未有的限制。

自適應(yīng)前照燈就是其中一項(xiàng)新設(shè)計(jì)。這種燈也稱(chēng)矩陣大燈，它用大量 LED 矩陣代替了以前的燈泡，可以明顯改善散熱并增強(qiáng)光束控制。其矩陣中的每個(gè) LED 都可獨(dú)立控制，因此燈光設(shè)計(jì)可以更加新穎、更加吸引人，同時(shí)它還能夠改善駕駛員的視野并根據(jù)環(huán)境來(lái)調(diào)整光束。通過(guò)關(guān)閉不必要的照明元件并保持其余部分完全點(diǎn)亮，前照燈可以只照亮駕駛員需要看到的地方，而不會(huì)分散其他道路使用者的注意力。

本文將介紹電氣工程師在設(shè)計(jì)這些新型照明產(chǎn)品時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)。文章將側(cè)重于說(shuō)明如何正確選擇用于多光束前照燈的 LED 驅(qū)動(dòng)器，并闡述自適應(yīng)反饋控制 (AFC) 對(duì)散熱管理的改善。我們將通過(guò)一個(gè)多光束前照燈的設(shè)計(jì)對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行解釋?zhuān)瑥纳蠈拥南到y(tǒng)概述，直到 LED 驅(qū)動(dòng)器的選擇。

矩陣前照燈

多光束前照燈主要包含三個(gè)組件：LED、LED 驅(qū)動(dòng)器和預(yù)穩(wěn)壓器（降壓變換器）

首先，LED 矩陣可以照亮道路布局。由于 PCB 尺寸的規(guī)格與散熱限制，本文采用的系統(tǒng)包含了3 行、 30 列的 84 個(gè) LED。其次，為了適應(yīng)環(huán)境光線，系統(tǒng)中的 LED 必須由 LED 驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制；在本例中，我們采用了 MPQ7225-AEC1 。最后，由于所有前照燈組件均由汽車(chē)電池供電，因此系統(tǒng)采用預(yù)穩(wěn)壓器來(lái)降低汽車(chē)電池的電壓，使電壓符合 LED 和 LED 驅(qū)動(dòng)器的規(guī)格。

選擇LED驅(qū)動(dòng)器

在前照燈的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員會(huì)面臨兩項(xiàng)主要限制：PCB 尺寸和散熱。首先，PCB 必須盡可能地小才能裝入前照燈外殼中，這意味著最大限度減少元件數(shù)量非常重要。其次，照明設(shè)計(jì)必須認(rèn)真考慮應(yīng)用的散熱問(wèn)題，以避免器件過(guò)熱并損壞組件。因此，必須根據(jù)系統(tǒng)規(guī)范謹(jǐn)慎選擇 LED 驅(qū)動(dòng)器。

Bec本文的示例系統(tǒng)需要出色的可擴(kuò)展性，同時(shí)需要每器件提供大量通道，因此我們選擇MPQ7225-AEC1作為L(zhǎng)ED 驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器不僅減少了元件數(shù)量，還縮小了 PCB 尺寸，同時(shí)仍具備 LED 的可控性。具體而言，該設(shè)計(jì)采用了6個(gè) MPQ7225-AEC1 器件，每個(gè)器件都可提供多達(dá)14 個(gè)通道（見(jiàn)圖 2）。MPQ7225-AEC1是一款16 通道 LED 驅(qū)動(dòng)器，它可以單獨(dú)控制多達(dá) 96 個(gè) LED，當(dāng)然本設(shè)計(jì)并不需要如此多的通道。

圖2: LED 矩陣PCB

除了 LED 驅(qū)動(dòng)器的可擴(kuò)展性之外，亮度也是照明部件設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)多光束技術(shù)而言，每通道都需要有足夠的電流，而且通道之間的串間差異必須有所限制，這樣才能避免 PCB 上的某些部件過(guò)熱。MPQ7225-AEC1 是此類(lèi)應(yīng)用的理想 LED 驅(qū)動(dòng)器。它允許的每通道 LED 電流 (ILED) 高達(dá) 200mA，而且全溫范圍內(nèi)的精度可達(dá) 5%。本設(shè)計(jì)用于提供前照燈的遠(yuǎn)光燈，因此每通道的標(biāo)稱(chēng)電流設(shè)置為 200mA。

可配置的電流將有助于管理照明電路板的溫度。當(dāng)電路板溫度升至最大值時(shí)，LED 驅(qū)動(dòng)器必須利用調(diào)光技術(shù)來(lái)降低 LED 電流，從而降低板的溫度。MPQ7225-AEC1 提供兩種不同的調(diào)光技術(shù)：PWM 調(diào)光和模擬調(diào)光，均可獨(dú)立應(yīng)用于每個(gè)通道。

圖 3 顯示了如何將 PWM 調(diào)光應(yīng)用于 2 個(gè)不同的通道。通道1的PWM 調(diào)光占空比為50%，通道 2 的PWM 調(diào)光占空比為25%。示波器捕獲通過(guò)這兩個(gè)通道的電流，以及通道之間 PWM 調(diào)光的差異。 PWM 調(diào)光頻率設(shè)置為 500Hz。MPQ7225-AEC1 提供配置功能，該值還可設(shè)置為 250Hz 或 1kHz。

圖 3：通道1的PWM 調(diào)光占空比為50%，通道 2 的PWM 調(diào)光占空比為25%

預(yù)穩(wěn)壓器自適應(yīng)反饋控制 (AFC)

除調(diào)光以外，照明設(shè)計(jì)中的部分 LED 驅(qū)動(dòng)器還采用其他技術(shù)進(jìn)行散熱管理。例如，MPQ7225-AEC1 提供自適應(yīng)反饋控制 (AFC)功能，它可以根據(jù)裕量值調(diào)整 DC/DC 變換器的輸出電壓 (VOUT)。這優(yōu)化了整體系統(tǒng)效率與溫度。

圖 4 顯示了MPQ7225-AEC1 中AFC的實(shí)現(xiàn)。它檢測(cè)每個(gè)通道中的電壓，如果任何一個(gè)LED的輸出電壓低于 0.3V，則降壓變換器的 VOUT 增大；當(dāng)電壓超過(guò) 0.4V，預(yù)穩(wěn)壓器的 VOUT將降低。

圖4: AFC功能

由于 LED 的正向電壓隨溫度降低，所以較高溫度下的裕量電壓也會(huì)增加，這會(huì)降低系統(tǒng)效率并讓散熱變?cè)?。但啟?AFC 功能后，預(yù)穩(wěn)壓器的 VOUT 會(huì)在溫度升高時(shí)降低，從而優(yōu)化效率和整個(gè)系統(tǒng)的行為。 采用 MPQ7225-AEC1 并啟用 AFC功能，設(shè)計(jì)人員將可以改善照明設(shè)計(jì)中的散熱問(wèn)題（見(jiàn)圖 5）。

圖 5：LED 特性與裕量電壓之間的關(guān)系

F圖 6 顯示了啟用 AFC功能與否的散熱差異。如果 VBIAS 為非固定值，它會(huì)根據(jù)裕量電壓而變化；LED 驅(qū)動(dòng)器溫度則下降 34°C (當(dāng) ILED = 200mA時(shí)）。

圖 6：不啟用 AFC（左）和啟用 AFC（右）時(shí)的散熱性能比較

其他設(shè)計(jì)考量

對(duì)汽車(chē)行業(yè)來(lái)說(shuō)，遵循EMC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)非常重要。因此，我們建議選擇具備 EMI降低功能的 LED 驅(qū)動(dòng)器。MPQ7225-AEC1 即具有三種 EMI 降低方案，本設(shè)計(jì)采用了其中的兩種方案。

首先，通過(guò)我們選擇的 LED 驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)人員能夠在應(yīng)用 PWM 調(diào)光時(shí)改變電流脈沖的斜率。在本設(shè)計(jì)中，MPQ7225-AEC1 被配置為具有20μs強(qiáng)制斜率。圖 7 顯示了該斜率如何通過(guò)平滑轉(zhuǎn)換和減少尖峰來(lái)影響直線電流轉(zhuǎn)換。示波器的通道 1 和通道 2 捕獲具有不同 PWM 調(diào)光占空比的兩個(gè)不同通道。 第一個(gè)脈沖表明，當(dāng)沒(méi)有施加斜率時(shí)，脈沖中間出現(xiàn)一個(gè)尖峰；但當(dāng)斜率配置為 20μs 時(shí)，沒(méi)有尖峰出現(xiàn)。

圖 7：大斜率與 20μs 斜率間的比較

其次，設(shè)計(jì)人員可以添加內(nèi)部時(shí)鐘的頻譜擴(kuò)展功能。當(dāng)設(shè)計(jì)提供該功能時(shí)，內(nèi)部時(shí)鐘頻率（及其諧波）周?chē)?EMI 噪聲將降低。

最后，LED 矩陣應(yīng)具有強(qiáng)大的管理功能，以在行駛期間迅速、精準(zhǔn)地適應(yīng)燈光設(shè)計(jì)。這就需要外部控制器與LED 驅(qū)動(dòng)器之間具備快速而可靠的通信。此外，控制器板（做出決策之處）和 LED 板之間可能距離較遠(yuǎn)，外部噪聲有可能破壞通信。在這種情況之下，協(xié)議必須不受噪聲影響?？紤]到這一點(diǎn)，我們建議采用差分接口，例如 CAN。MPQ7225-AEC1兼容 2Mbps CAN 差分接口，因此仍是一個(gè)理想的選擇。

通過(guò)該通信協(xié)議控制 LED 驅(qū)動(dòng)器，以在不更改硬件設(shè)計(jì)的情況下配置 LED 矩陣最重要的設(shè)置（例如 LED 亮度和燈光設(shè)計(jì)）也非常重要，因此它可以減小 BOM 和 PCB 尺寸。本文選擇的 LED 驅(qū)動(dòng)器具有帶大量寄存器映射的數(shù)字接口。用戶(hù)可關(guān)閉 LED，修改其亮度，并監(jiān)測(cè)運(yùn)行期間可能發(fā)生的故障。

結(jié)語(yǔ)

多光束技術(shù)是汽車(chē)行業(yè)的一項(xiàng)重大進(jìn)步，它可以使遠(yuǎn)光燈適應(yīng)道路布局和環(huán)境，額外的照明能讓駕駛員即使在能見(jiàn)度低的情況下也感覺(jué)到安全。 然而，多光束技術(shù)的照明設(shè)計(jì)也極具挑戰(zhàn)性，但選擇理想的 LED 驅(qū)動(dòng)器將能夠應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。本文建議的 MPQ7225-AEC1 具有出色的可擴(kuò)展性、EMI 降低技術(shù)和強(qiáng)大的通信功能。另外，在設(shè)計(jì)多光束系統(tǒng)時(shí)，散熱也是重中之重，因此還建議引入 AFC 和調(diào)光等相關(guān)技術(shù)。

審核編輯：彭菁