外部环境中汽车级LED和设备驱动程序的条件保护.doc

外部环境中汽车级LED和设备驱动程序的条件保护即使是汽车级LED和LED设备驱动器在外部汽车照明应用的恶劣电气环境中使用时也可能需要额外的保护。高可靠性是至关重要的，特别是前向和后向灯在新的车辆安全功能中发挥重要作用，可能导致在某些危急情况下对某些方面进行自主控制。本文将考虑LED驱动器如何通过包含更高集成度的设备（包含诊断和保护功能）的附加电路，可以保护IC免受短路和其他故障条件的影响。将参考凌力尔特公司的汽车级LED驱动器和TI的电流检测监视器。自适应照明实际上，目前市场上任何新型号的汽车都将包含LED ，用于室外或室内照明，或两者兼而有之。它不仅具有低功耗，长寿命和高效率的特点，而且具有吸引力;也不仅仅是它们的灵活外形将“概念车”式照明集群和车身设计带入了家庭环境。将LED与传感器和电子控制装置轻松集成的能力是最令人信服的原因之一。它是高级驾驶员舒适性和安全性的关键，例如自适应照明，自动倾斜，物体检测和停车辅助。对于自适应照明，多个LED被集成到一个簇或矩阵中，这样可以打开和关闭各个LED或调暗以产生适合条件的光输出。汽车上的外部传感器不仅可以检测由于天气条件或夜晚降低的环境光线水平，还可以检测角落和迎面而来的大灯等物理特性，从而可以自动调节光束宽度和投影（图1）。图1：奥迪的Matrix LED大灯展示了其自适应能力，避免在继续照亮道路时使迎面而来的驾驶员失明。每个前照灯单元中使用大约25个可单独控制的LED。汽车外部灯被认为是安全装置，因此受到高度监管。尽管LED比它们取代的灯泡更加机械坚固，但LED仍然必须符合严格的汽车标准，以确保可靠性和安全性。最初，LED必须符合AEC-Q101标准（汽车级分立半导体的压力测试资格），但现在新的，更合适的LED法规正在发展。当然，汽车照明应用中必不可少的相关电子控制，电源管理和电路保护设备必须符合AEC-Q100（用于集成电路），AEC-Q101（分立元件）或AEC-Q200（无源元件）。符合汽车标准的电子设备需要在扩展的温度和湿度范围内展示可靠的操作，并能够承受振动和刺激性化学品，以及瞬态和EMI。在前照灯应用中，例如前照灯或日间行车灯（DLR），LED和驱动器通常在高功率水平下工作，在矩阵设计中高达75 W，使EMI成为特别的挑战。无论是由于机械还是电气问题，外部照明故障都可能是灾难性的。在夜间驾驶时，外部灯不仅是必不可少的安全功能，而且还可以与其他安全功能集成。此外，短路可能产生电弧，在碰撞的情况下，可能点燃泄漏的燃料。显然，高可靠性LED和驱动器是必不可少的，并且符合相关的AEC质量标准是一个开始。但是，仔细选择LED驱动器非常重要，并且需要对电气短路，欠压，过压，过流和反极性进行额外保护。拓扑选择对于合理的高功率应用，例如汽车前照灯，通常使用开关稳压器。 LED通常需要恒定电流才能产生一致的光输出; LED驱动器必须能够改变输出电压以保持恒定电流。总输出电压取决于许多参数，例如LED工艺和芯片温度，以及串联的LED数量。设计人员需要准确预测最大输出电压，以便选择最佳的稳压器拓扑，从而选择驱动器IC和相关组件。有用的应用笔记可从德州仪器（TI），设计挑战的开关LED驱动器 1 获得。它警告说，如果最大输出电压超过最小输入电压，降压调节器，即使具有高占空比，也可能在某些情况下失去动力。它详细介绍了如何最好地设置LED纹波电流的容差，以及何时需要更严格的控制和滤波。最后，它概述了如何计算一串LED的动态电阻，显示它如何随着正向电流的变化而变化。在一些汽车外部照明应用中，LED阵列或矩阵可以远离驱动器/控制器。在这种情况下，升压转换器可能是更合适的拓扑选择。在驱动LED串时，通常首选基于升压的驱动器架构。然而，在这两种情况下，输出短路条件都是可能的。最近推出的用于汽车照明的LED驱动器包括内置的强大的短路保护功能。但是，可以使用电流分流监控器简单地安装保护电路，并根据应用，额外的元件，如外部MOSFET开关和感应电阻器。德州仪器（TI）提供多种符合AEC-Q100标准的器件，包括INA20x系列，这是一款高端电流分流监控器，能够在-16至80 V的共模电压下检测分流器的压降。该器件采用2.7 V至18 V单电源供电，最大电流为1800A，具有三个输出电压范围，20 V/V（INA200-Q1），50 V/V（INA201-Q1）和100 V/V（INA202-Q1）。这些器件采用开漏比较器和内部基准电压源，提供0.6 V阈值。 TI还提供参考设计和数据表，解释其操作 2 。同步降压转换器还可用于调节某些汽车照明应用中LED的电流。为了实现高效安全的操作，电流检测监视器，高端检测电阻，电阻分压器和运算放大器也可以集成到这些设计中。这种类型的配置还将精确控制LED中的电流，以便保持恒定的亮度，以及提高效率。多模式驱动程序选择LED驱动程序时，了解现在有多种设备可用于升压，降压和降压 - 升压模式架构，这一点非常有用。汽车级多模设备的供应商包括但不限于Allegro Microsystems，Linear Technology，Maxim Integrated，ON Semiconductor，STMicroelectronics和Texas Instruments。功能安全性随着电子设备在车辆中承担如此多的关键功能，现在有一种趋势，即汽车制造商坚持硬件和软件符合功能安全标准ISO26262。对于诸如ADAS（高级驾驶辅助系统）之类的新功能，以及车辆可以自动覆盖驾驶员的任何功能，这可能成为强制性要求。依赖于视觉系统的安全特征也可以与外部照明集成，使得甚至LED及其相关的电子设备可能需要满足该标准。虽然与嵌入式软件特别相关，但也会对硬件组件产生影响。从本质上讲，功能安全标准不仅需要广泛的测试，还需要在整个设计过程中构建安全案例。结论LED正成为汽车外部照明的首选技术。但是，二极管及其驱动器需要满足相关的汽车标准，还可能需要增加额外的短路和EMI保护。 LED驱动器越来越集成以实现这种保护。