設(shè)計散熱更佳的多通道動態(tài)車燈

汽車領(lǐng)域?qū)?a href="http://m.1cnz.cn/v/tag/2364/" target="_blank">電氣化的推動讓各種具有獨特功能的汽車不斷出現(xiàn)在人們的視野中，而且其增長速度令人驚異。過去笨拙且功能單一的車燈也正在被新穎的、環(huán)繞汽車前部、后部或側(cè)面的細長型設(shè)計所取代。不斷超越傳統(tǒng)的照明或信號傳遞意味著未來車燈的設(shè)計將面臨更多的挑戰(zhàn)，例如顯示復雜的模式和算法，與此同時還要應(yīng)對散熱管理、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新設(shè)計。這種燈也稱矩陣大燈，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光束控制。其矩陣中的每個 LED 都可獨立控制，因此燈光設(shè)計可以更加新穎、更加吸引人，同時它還能夠改善駕駛員的視野并根據(jù)環(huán)境來調(diào)整光束。通過關(guān)閉不必要的照明元件并保持其余部分完全點亮，前照燈可以只照亮駕駛員需要看到的地方，而不會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)計這些新型照明產(chǎn)品時所面臨的挑戰(zhàn)。文章將側(cè)重于說明如何正確選擇用于多光束前照燈的 LED 驅(qū)動器，并闡述自適應(yīng)反饋控制 (AFC) 對散熱管理的改善。我們將通過一個多光束前照燈的設(shè)計對這些問題進行解釋，從上層的系統(tǒng)概述，直到 LED 驅(qū)動器的選擇。

矩陣前照燈

多光束前照燈主要包含三個組件：LED、LED 驅(qū)動器和預穩(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 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)動器進行控制；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電池供電，因此系統(tǒng)采用預穩(wěn)壓器來降低汽車電池的電壓，使電壓符合 LED 和 LED 驅(qū)動器的規(guī)格。

選擇LED驅(qū)動器

在前照燈的設(shè)計過程中，設(shè)計人員會面臨兩項主要限制：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)計必須認真考慮應(yīng)用的散熱問題，以避免器件過熱并損壞組件。因此，必須根據(jù)系統(tǒng)規(guī)范謹慎選擇 LED 驅(qū)動器。

Bec本文的示例系統(tǒng)需要出色的可擴展性，同時需要每器件提供大量通道，因此我們選擇MPQ7225-AEC1作為LED 驅(qū)動器。該驅(qū)動器不僅減少了元件數(shù)量，還縮小了 PCB 尺寸，同時仍具備 LED 的可控性。具體而言，該設(shè)計采用了6個 MPQ7225-AEC1 器件，每個器件都可提供多達14 個通道（見圖 2）。MPQ7225-AEC1是一款16 通道 LED 驅(qū)動器，它可以單獨控制多達 96 個 LED，當然本設(shè)計并不需要如此多的通道。

圖2: LED 矩陣PCB

除了 LED 驅(qū)動器的可擴展性之外，亮度也是照明部件設(shè)計的一個重要參數(shù)。對多光束技術(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 上的某些部件過熱。MPQ7225-AEC1 是此類應(yīng)用的理想 LED 驅(qū)動器。它允許的每通道 LED 電流 (ILED) 高達 200mA，而且全溫范圍內(nèi)的精度可達 5%。本設(shè)計用于提供前照燈的遠光燈，因此每通道的標稱電流設(shè)置為 200mA。

可配置的電流將有助于管理照明電路板的溫度。當電路板溫度升至最大值時，LED 驅(qū)動器必須利用調(diào)光技術(shù)來降低 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，均可獨立應(yīng)用于每個通道。

圖 3 顯示了如何將 PWM 調(diào)光應(yīng)用于 2 個不同的通道。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%。示波器捕獲通過這兩個通道的電流，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%

預穩(wěn)壓器自適應(yīng)反饋控制 (AFC)

除調(diào)光以外，照明設(shè)計中的部分 LED 驅(qū)動器還采用其他技術(shù)進行散熱管理。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的實現(xiàn)。它檢測每個通道中的電壓，如果任何一個LED的輸出電壓低于 0.3V，則降壓變換器的 VOUT 增大；當電壓超過 0.4V，預穩(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增加，這會降低系統(tǒng)效率并讓散熱變糟。但啟用 AFC 功能后，預穩(wěn)壓器的 VOUT 會在溫度升高時降低，從而優(yōu)化效率和整個系統(tǒng)的行為。 采用 MPQ7225-AEC1 并啟用 AFC功能，設(shè)計人員將可以改善照明設(shè)計中的散熱問題（見圖 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，它會根據(jù)裕量電壓而變化；LED 驅(qū)動器溫度則下降 34°C (當 ILED = 200mA時）。

圖 6：不啟用 AFC（左）和啟用 AFC（右）時的散熱性能比較

其他設(shè)計考量

對汽車行業(yè)來說，遵循EMC標準進行設(shè)計非常重要。因此，我們建議選擇具備 EMI降低功能的 LED 驅(qū)動器。MPQ7225-AEC1 即具有三種 EMI 降低方案，本設(shè)計采用了其中的兩種方案。

首先，通過我們選擇的 LED 驅(qū)動器，設(shè)計人員能夠在應(yīng)用 PWM 調(diào)光時改變電流脈沖的斜率。在本設(shè)計中，MPQ7225-AEC1 被配置為具有20μs強制斜率。圖 7 顯示了該斜率如何通過平滑轉(zhuǎn)換和減少尖峰來影響直線電流轉(zhuǎn)換。示波器的通道 1 和通道 2 捕獲具有不同 PWM 調(diào)光占空比的兩個不同通道。 第一個脈沖表明，當沒有施加斜率時，脈沖中間出現(xiàn)一個尖峰；但當斜率配置為 20μs 時，沒有尖峰出現(xiàn)。

圖 7：大斜率與 20μs 斜率間的比較

其次，設(shè)計人員可以添加內(nèi)部時鐘的頻譜擴展功能。當設(shè)計提供該功能時，內(nèi)部時鐘頻率（及其諧波）周圍的 EMI 噪聲將降低。

最后，LED 矩陣應(yīng)具有強大的管理功能，以在行駛期間迅速、精準地適應(yīng)燈光設(shè)計。這就需要外部控制器與LED 驅(qū)動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，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。考慮到這一點，我們建議采用差分接口，例如 CAN。MPQ7225-AEC1兼容 2Mbps CAN 差分接口，因此仍是一個理想的選擇。

通過該通信協(xié)議控制 LED 驅(qū)動器，以在不更改硬件設(shè)計的情況下配置 LED 矩陣最重要的設(shè)置（例如 LED 亮度和燈光設(shè)計）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)動器具有帶大量寄存器映射的數(shù)字接口。用戶可關(guān)閉 LED，修改其亮度，并監(jiān)測運行期間可能發(fā)生的故障。

結(jié)語

多光束技術(shù)是汽車行業(yè)的一項重大進步，它可以使遠光燈適應(yīng)道路布局和環(huán)境，額外的照明能讓駕駛員即使在能見度低的情況下也感覺到安全。 然而，多光束技術(shù)的照明設(shè)計也極具挑戰(zhàn)性，但選擇理想的 LED 驅(qū)動器將能夠應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。本文建議的 MPQ7225-AEC1 具有出色的可擴展性、EMI 降低技術(shù)和強大的通信功能。另外，在設(shè)計多光束系統(tǒng)時，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