安森美半導(dǎo)體先進(jìn)汽車照明解決方案點(diǎn)亮汽車內(nèi)外.doc

電源在線網(wǎng)-中國領(lǐng)先的電源行業(yè)商務(wù)平臺(tái)安森美半導(dǎo)體先進(jìn)汽車照明解決方案點(diǎn)亮汽車內(nèi)外安森美半導(dǎo)體 ON Semiconductor 摘要：LED照明具有壽命長(zhǎng)、響應(yīng)時(shí)間快、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，使其在汽車照明中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。本文詳細(xì)介紹了安森美半導(dǎo)體在汽車照明應(yīng)用中的各類LED單芯片驅(qū)動(dòng)器解決方案。關(guān)鍵詞：汽車照明 LED 驅(qū)動(dòng)器Keywords: Car Lighting, LED, Driver1 前言隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，越來越先進(jìn)的照明技術(shù)在汽車上正得到更多應(yīng)用。其中，發(fā)光二極管(LED)照明具有鹵素?zé)艉碗瘹鉄魺o法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如壽命長(zhǎng)、響應(yīng)時(shí)間快、節(jié)能環(huán)保等，加快了在汽車照明中大量采用的步伐。安森美半導(dǎo)體身為應(yīng)用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供應(yīng)商，以先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)為依托，持續(xù)致力于汽車前照燈、儀表盤背光、內(nèi)部照明、車門照明及尾燈等汽車照明應(yīng)用，提供包括標(biāo)準(zhǔn)及定制產(chǎn)品在內(nèi)的豐富方案，如步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、LED驅(qū)動(dòng)器、氙氣燈驅(qū)動(dòng)器、鹵素?zé)趄?qū)動(dòng)器、LED背光驅(qū)動(dòng)器等，尤其是在前照燈調(diào)整和偏轉(zhuǎn)用氙氣燈驅(qū)動(dòng)專用集成電路(ASIC)，以及成為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器方面領(lǐng)先市場(chǎng)。2 汽車前照燈發(fā)展趨勢(shì)目前路上行駛的大多數(shù)汽車，配備的前照燈仍為鹵素?zé)?，主要提供遠(yuǎn)光燈和近光燈(HB)功能。其中，近光燈的典型功耗為55W，光輸出約為1,000lm。相比較而言，推出已有10多年的高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)功耗為35W，光輸出約為3,500lm。由于HID燈發(fā)光強(qiáng)度高，有令對(duì)向接近汽車駕駛員眩目的風(fēng)險(xiǎn)，出于安全考慮，一些國家要求近光燈帶有水平位置自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，并附帶高壓清洗裝置。隨著時(shí)間的推移，越來越多HID燈將會(huì)把遠(yuǎn)光燈功能融入到雙氙氣燈方案中。由于節(jié)能方面的要求日趨嚴(yán)苛，雖然鹵素技術(shù)仍在用于前照燈照明，汽車設(shè)計(jì)越來越多地轉(zhuǎn)向了LED照明。LED照明可提供增強(qiáng)的造型選擇，實(shí)現(xiàn)“即時(shí)”照明，允許從0到100功率的亮度控制。汽車前照燈應(yīng)用的另一個(gè)重要趨勢(shì)，就是自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)(AFS)，提供光束偏轉(zhuǎn)功能以優(yōu)化彎道照明，以及自適應(yīng)前照燈(ADB)以根據(jù)實(shí)際環(huán)境實(shí)時(shí)調(diào)整光束。步進(jìn)電機(jī)則為AFS和ADB提供控制功能。安森美半導(dǎo)體為汽車前照燈照明應(yīng)用提供寬廣系列的產(chǎn)品，從一般燈泡驅(qū)動(dòng)器方案到步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、LED驅(qū)動(dòng)器和氙燈驅(qū)動(dòng)器等，不一而舉。圖1 安森美半導(dǎo)體汽車前照燈方案(見深綠色背景框)3 安森美半導(dǎo)體汽車照明方案示例（1) 前照燈調(diào)整和偏轉(zhuǎn)單芯片微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器AMIS-30623，適用于前照燈的水平調(diào)整和偏轉(zhuǎn)控制。它集成了控制器和LIN接口，用LIN主機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接的專用機(jī)電一體化解決方案設(shè)計(jì)。該器件通過總線接收位置調(diào)整指令，隨后驅(qū)動(dòng)電機(jī)線圈到所需的位置，利用電流、速度、加速度和減速配置參數(shù)。AMIS-30623還可檢測(cè)電機(jī)停轉(zhuǎn)狀態(tài)。圖2 AMIS-30623前照燈水平調(diào)整和偏轉(zhuǎn)電路另外兩款器件也可以用于上述應(yīng)用，NCV70521和NCV70522均為單芯片微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，帶有電流轉(zhuǎn)換表和SPI接口。NCV70522還包括嵌入式5V穩(wěn)壓器和看門狗復(fù)位功能。該器件可作為外設(shè)驅(qū)動(dòng)器，接受來自微控制器的“下一步微步”指令，并使電機(jī)線圈電流與所需速度同步。集成的SPI總線允許參數(shù)設(shè)置和診斷反饋。圖3 NCV70522單芯片微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（2) 高級(jí)LED前照燈電源鎮(zhèn)流器及雙LED驅(qū)動(dòng)器單芯片NCV78663、智能前照燈LED驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)光燈、近光燈、日間行車燈、示廓燈、彎道輔助照明燈、轉(zhuǎn)向指示燈、及霧燈的單芯片控制。NCV78663集成了數(shù)字調(diào)光、SPI可編程設(shè)置和內(nèi)置診斷，提供了一個(gè)集成的、高能效集成型前照燈控制解決方案。圖4 NCV78663前照燈電源鎮(zhèn)流器（3) LED組合尾燈線性電流穩(wěn)流和控制器單芯片NCV7680包括8個(gè)線性可編程恒流源。采用NCV7680的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)亮度等級(jí)，一個(gè)是剎車燈，一個(gè)是尾部照明；還可以實(shí)現(xiàn)可選PWM控制，這是調(diào)光LED的首選方法。PWM發(fā)生器的固定頻率可提供無閃爍照明?？蛇x的外部鎮(zhèn)流器FET有助于實(shí)現(xiàn)要求高電流設(shè)計(jì)的電源分布。為了支持LED串常見的汽車組合尾燈(RCL)配置，NCV7680提供了八路匹配輸出來驅(qū)動(dòng)各串LED，且采用1顆電阻來設(shè)定電流。單獨(dú)的LED串驅(qū)動(dòng)可確保LED串之間相等的電流分配。NCV7680可以作為一個(gè)獨(dú)立器件，也可以作為配合復(fù)雜系統(tǒng)的額外支持電路。結(jié)合升壓控制器運(yùn)行時(shí)，額外LED可連接為一個(gè)LED串。其典型應(yīng)用，包括組合尾燈、日間行車燈(DRL)、霧燈、中央高位剎車燈(CHMSL)陣列、轉(zhuǎn)向指示燈和其他外部調(diào)制應(yīng)用、液晶顯示器(LCD)背光等。圖5 NCV7680組合尾燈線性電流穩(wěn)流和控制器上圖中二極管改為空心中間通直線，電阻改為長(zhǎng)方形（4) 汽車內(nèi)部照明LIN RGB LED驅(qū)動(dòng)器LIN總線(本地互連網(wǎng)絡(luò))是一種低成本的串行通信協(xié)議，在目前汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中比較流行。它是一個(gè)相對(duì)低速率的通信系統(tǒng)，旨在監(jiān)視當(dāng)今汽車中的傳感器設(shè)備或執(zhí)行器。NCV7430 LIN RGB LED驅(qū)動(dòng)器，結(jié)合了LIN收發(fā)器與RGB LED驅(qū)動(dòng)器和內(nèi)存。它是一個(gè)單芯片RGB驅(qū)動(dòng)器，旨在監(jiān)測(cè)汽車內(nèi)部照明中的專用多色LED應(yīng)用。包含LED顏色和亮度參數(shù)編程的LIN接口(從設(shè)備)。器件通過LIN總線接收指令，隨后獨(dú)立驅(qū)動(dòng)LED。NCV7430是LIN總線上的從器件，主器件可以請(qǐng)求特定狀態(tài)信息(參數(shù)值和錯(cuò)誤標(biāo)志)。NCV7430的LIN地址可以用器件內(nèi)存編程。NCV7430與汽車要求完全兼容。圖6 NCV7430 LIN RGB LED驅(qū)動(dòng)器（5) 汽車外部和內(nèi)部照明恒流穩(wěn)流器雙端線性恒定穩(wěn)流器(CCR)是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)和強(qiáng)大的器件，為成本敏感的LED應(yīng)用電流調(diào)節(jié)提供了一個(gè)有效的解決方案。該器件無需外部元件，就能夠?qū)崿F(xiàn)高邊或低邊穩(wěn)流器。這些器件可在較寬輸入電壓范圍調(diào)節(jié)輸出電流，具有負(fù)溫度系數(shù)特性，防止極端電壓和工作溫度條件下LED的熱失控。這類器件包括NSI45xxx、NSI50xxx、NSIC20xx和NSI45xxxJ幾個(gè)系列。圖7 NSI45汽車外部和內(nèi)部照明恒流穩(wěn)流器（6) 緊湊型降壓LED驅(qū)動(dòng)器和高亮度LED恒流開關(guān)穩(wěn)壓器CAV4201和CAT4201是安森美半導(dǎo)體推出的多用途緊湊型降壓LED驅(qū)動(dòng)器，采用專利的均流調(diào)節(jié)架構(gòu)，可用24V驅(qū)動(dòng)多達(dá)7個(gè)串聯(lián)的LED，處理高達(dá)40V瞬變；其電源效率高于94，有電流限制、熱保護(hù)及LED開路保護(hù)功能。重要的是，它符合AEC-Q100規(guī)范，除適合MR16燈泡、光條、建筑照明、標(biāo)牌和太陽能照明應(yīng)用外，更適合汽車照明應(yīng)用。圖8 CAV4201緊湊型降壓LED驅(qū)動(dòng)器NCV3065和NCV3066是多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、高亮度LED恒流開關(guān)穩(wěn)壓器，符合AEC-Q100要求。其LED驅(qū)動(dòng)電流高達(dá)1.5 A，用外部開關(guān)提高效率，適用于PWM和模擬調(diào)光，處理高達(dá)40V瞬變。兩款器件十分適合電路板空間有限、存在高壓、高溫環(huán)境的汽車LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)高亮度LED的高效率和高可靠性。圖9 NCV3065高亮度LED恒流開關(guān)穩(wěn)壓器4 總結(jié)安森美半導(dǎo)體一直在利用其先進(jìn)汽車工藝技術(shù)，為汽車照明應(yīng)用提供各種標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和定制器件。所有這些集成電路，均符合汽車可靠性和溫度等規(guī)范和環(huán)保要求，在滿足人們對(duì)車內(nèi)照明控制、前照燈、組合尾燈、霧燈、示廓燈，尤其是新光源要求的同時(shí)，也讓駕駛者充分體驗(yàn)到，包括LED照明在內(nèi)的新興照明技術(shù)所帶來的舒適性和樂趣。因需要從有機(jī)EL取出光，最少必須一端為透明電極。光的取出方式，有從基板層取出的底部發(fā)射型和從成膜側(cè)取出的頂部發(fā)射型。將通常基板側(cè)作為空穴注入側(cè)，但也有作為電子注入側(cè)的逆結(jié)構(gòu)型。所謂透明電極，一般是采用銦錫氧化物半導(dǎo)體（ITO）。導(dǎo)電性高，透明性好的ITO的制成，需要數(shù)百的基板加熱溫度。在用于顯示器的情況下，能將驅(qū)動(dòng)晶體管形成于下層，開口率高的頂部發(fā)射型已成為主流，故透明電極的形成很重要。在照明控制盤情況下，較之密封等受制約的頂部發(fā)射型，底部發(fā)射型在制作時(shí)加工處理更方便。對(duì)于金屬陰極，因降低了電子注入的勢(shì)壘，利用了功函數(shù)低的金屬。但具有低功函數(shù)的金屬，水和氧的活性弱，是初期有機(jī)EL的劣化原因之一。2 有機(jī)EL的發(fā)光原理OLED（Organic Light Emitting Diode）是指有機(jī)半導(dǎo)體材料和有機(jī)發(fā)光材料在電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，通過載流子注入和復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光的技術(shù)。 圖2所示為有機(jī)EL的發(fā)光原理。用ITO玻璃透明電極和金屬電極分別做成有機(jī)EL器件的陽極和陰極，在一定電壓驅(qū)動(dòng)下，電子和空穴分別從陰極和陽極注入到電子傳輸層（ET）和空穴傳輸層（HT），然后分別遷移到發(fā)光層（EM），相遇后形成激子（exciton）,使發(fā)光分子激發(fā)，后者經(jīng)過輻射后發(fā)出可見光。輻射光可從ITO玻璃板一側(cè)看到，金屬電極膜同時(shí)也起到了發(fā)射層的作用。當(dāng)注入的空穴和電子的比例為1:1時(shí)，對(duì)應(yīng)于合理的電流，效率高。有利于再結(jié)合的電流成分與流過器件的全電流之比，稱為載流子平衡（Carrier balance）因數(shù)。與無機(jī)半導(dǎo)體不同，有機(jī)分子中的再結(jié)合，形成所謂激子的激勵(lì)狀態(tài)。激子失去活性之際則發(fā)光。通過載流子的再結(jié)合，自旋多重度各異的一重激子與三重激子形成1:3的比例時(shí)（熒光激子的生成效率為25%），由一重激子發(fā)出的光稱為熒光，由三重激子發(fā)出的光稱為磷光。按照激子生成的比例，發(fā)出磷光的效率高。由于自旋禁制，三重激子的壽命比一重激子的壽命較長(zhǎng)。但因發(fā)熱而易于無輻射的失去活性。以重金屬作為中心金屬的金屬絡(luò)合物中，將一重激勵(lì)狀態(tài)與三重激勵(lì)狀態(tài)相互之間進(jìn)行交叉，可得到常溫下產(chǎn)生100%磷光的材料。如果利用這樣的一種材料，則能實(shí)現(xiàn)高效率的有機(jī)電致發(fā)光(EL)。一般，由光激勵(lì)的激子輻射光的比例，稱為PL量子效率。若取出的光子數(shù)與流過有機(jī)膜器件的電子數(shù)相同，則內(nèi)部量子效率處于100%的狀態(tài)。但實(shí)際上必須從透明電極和基板之外取出光，這就是外部取出光的效率低的原因。尤其對(duì)光學(xué)研究不足的底部發(fā)射型，光的取出效率僅20%左右。這種場(chǎng)合下利用熒光材料，即使采用參數(shù)的最大值，外部量子效率僅5%。完全轉(zhuǎn)換為磷光材料時(shí)，可提高到20%。圖3為有機(jī)EL的電致發(fā)光效率示意圖。外部量子效率可按式（1）給出ext=int=plexcr （1）式中：-從外部取出光的效率；int-內(nèi)部量子效率；pl-PL量子效率；exc-激子生成效率；r-載流子平衡因數(shù)。此外，有機(jī)EL的外部量子效率，有隨電流的增加而下降的趨向（roll-off現(xiàn)象），特別對(duì)效率高的磷光材料更明顯。為此，在高亮度區(qū)，磷光材料與熒光材料的外部量子效率幾乎無差別這并不罕見。3 有機(jī)EL的特點(diǎn)有機(jī)EL的主要特點(diǎn)可列舉如下：（1）由于基板可做成柔性結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)薄形輕量化；（2）為平面型面發(fā)光體，可以卷起來；（3）高速響應(yīng)，發(fā)光反應(yīng)速度快；（4）工作時(shí)產(chǎn)生的熱量低，耗電量相應(yīng)少；（5）抗震動(dòng)，耐撞擊性能好；（6）應(yīng)用較方便，成本低；（7）不含汞，環(huán)保無汞污染；（8）制造工藝較簡(jiǎn)單，易于大規(guī)模生產(chǎn)；（9）使用壽命長(zhǎng)，目前已達(dá)到5000h20000h，理論上可達(dá)20萬h；（10）發(fā)光效率高，目前OLED的發(fā)光效率已達(dá)60 lm/w，預(yù)計(jì)可達(dá)到200 lm/w以上，特別是有機(jī)EL用于顯示器場(chǎng)合，廣闊視野角度(視角廣)的高對(duì)比度，無論在亮的場(chǎng)所還是暗的場(chǎng)所，圖象質(zhì)量都非常鮮明，可謂是顯示器的理想材料和器件。 4 與其它照明光源的比較圖4所示為有機(jī)EL、LED、無機(jī)EL的發(fā)光原理圖。有機(jī)EL為面發(fā)光體，作為面發(fā)光體還有前述的無機(jī)EL。有機(jī)EL和半導(dǎo)體LED均為注入型電致發(fā)光，無機(jī)EL則為固有的電致發(fā)光。而且，在無機(jī)EL中，連續(xù)的發(fā)光需100V以上的電壓和數(shù)kHz的高頻率。即使目前未能達(dá)到高亮度狀態(tài)，但利用涂敷法能實(shí)現(xiàn)BO尺寸的平面發(fā)光還是有魅力的。圖5為EL潮流公司的AO尺寸發(fā)光薄膜與用半導(dǎo)體LED裝配的照明面板。作為無機(jī)EL的研究課題，應(yīng)提高亮度與實(shí)現(xiàn)白色化。電光源技術(shù)經(jīng)歷了第一代的熱輻射電光源（如白熾燈，鹵鎢燈等），第二代的低壓氣體放電電光源（如熒光燈），第三代的高壓氣體放電電光源（如高壓汞燈、高壓鈉燈和金鹵燈等）和第四代的固體電光源（如LED等）的變遷。白熾燈的價(jià)格低是其優(yōu)點(diǎn)，但至今在能源問題上的耗電，大部分能量轉(zhuǎn)成熱而散散掉，故能效低的白熾燈，預(yù)定在2012年以后將停止生產(chǎn)。熒光燈的效率較高和壽命較長(zhǎng)是優(yōu)點(diǎn)，價(jià)格也不算高，但伴隨著氣體放電的汞（Hg）原子，因其激勵(lì)和失去活性引發(fā)紫外（UV）光，紫外光在熒光體中變換成可見光，由此而照明。原理上照明光中含有UV光，在有些場(chǎng)合是不適用的。同時(shí)，廢棄時(shí)還應(yīng)考慮汞的環(huán)境污染。根據(jù)ROHS對(duì)有害物的限制指令，汞將是直接被規(guī)定限制的對(duì)象。半導(dǎo)體LED其高亮度與長(zhǎng)壽命是顯著優(yōu)點(diǎn)，至于在照明上的應(yīng)用還須考慮以下問題：（1）LED是點(diǎn)光源，發(fā)光面積小，光輸出過于集中，故必須進(jìn)行二次配光才能達(dá)到實(shí)際使用效果；（2）LED芯片的主要材料鎵（Ga），原材料稀少，成本高。目前LED的售價(jià)是白熾燈、氣體放電燈十幾倍甚至幾十倍以上，這是LED推廣應(yīng)用的瓶頸。不過，現(xiàn)在LED的制作方法已經(jīng)確立，芯片的制造可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，正向低成本化急速推進(jìn)，有望提高性價(jià)比。最近開發(fā)的藉助擴(kuò)散板的面光源監(jiān)控盤, 如圖5所示。這一面光源是利用了有機(jī)EL，其發(fā)光效率（接近熒光燈的）已得到迅速改善。發(fā)光光譜為完全的可見光，尤其是有效發(fā)揮了平面光源的照明設(shè)計(jì)特色。 有機(jī)EL（電致發(fā)光）是繼LED之后又發(fā)現(xiàn)的一種更為優(yōu)秀的（參見本文第3節(jié)）固態(tài)電光源。不遠(yuǎn)的將來它將會(huì)廣泛應(yīng)用于照明場(chǎng)合，會(huì)逐步瓜分LE