汽车LED组合尾灯及其实际应用

    由于LED固有的长使用寿命及利于新颖造型设计的优势，汽车设计社群近年来越来热衷于使用LED。跟发光点单一的白炽灯泡不同，汽车应用中结合使用多颗LED来提供停车及尾灯组合功能所需的光强度。尾灯功能要求的光强度较低，故其平均稳压功率必须比停车灯功能低。LED阵列的电气连接要么是并联-串联排列，要么是数串串联LED排列(通常每串3颗)，每个LED串都有其并联偏置连接的功率电阻和二极管，从而构成组合尾灯整体。每个组合尾灯中的LED串数量最低可以是2串，或最多超过8串。当涉及到大批量LED及它们固有的光强度分布问题时，基于电阻的电流源会带来某些制造和成本方面的限制，手头上需要有众多不同阻值的电阻，从而使组合尾灯具有标准的光强度，符合客户及政府制定的光输出要求。

    基于硅的专用标准产品(ASSP)有机会为基于串联LED串的组合尾灯提供稳流功能。本文将讨论一个ASSP实例，并展示如何在组合尾灯设计中具体应用这ASSP。除了阐释这器件的功能，还将展示相关应用电路，介绍在某个LED开路的情况下如何提供LED阵列的自动闩锁。这闩锁电路构成模仿白炽灯故障所要求的“一个故障则全部故障”(one out all out)工作的基础。

背景知识及应用

    高可靠性和适合纤薄设计方面的优势使得LED灯成为适宜的技术选择。白炽灯相对于LED灯的主要折衷优势就在于初期成本及替换成本。

    为此，基于LED的组合尾灯要求稳流，在9.0 V至16 V的额定汽车连续电压条件下提供稳定或受到限制的LED阵列电压。此外，白炽灯和LED技术相比而言，灯开路条件给车身控制模块(BCM)带来的问题也大为不同。

    图1显示了汽车的车身控制模块和组合尾灯接口。车身控制模块包含多个高端驱动器(High Side Driver)通道，为车辆中的多个不同接地负载提供开关功率。每个高端驱动器通常都有限流，并且最少有标准失效模式的一个子集作为诊断信号，如对地短路、电池短路、负载器件导通/关闭开路等。如果这些高端驱动器正好适合为白炽灯泡供电，那么限流就必须适应高浪涌输入电流及高稳态电流，并使高端驱动器的限流阈值非常高。然而，白炽灯泡烧毁时，高端驱动器可以轻易地确定开路故障，因为白炽灯泡故障开路，车身控制模块的高端驱动器轻易检测到零电流。基于LED的组合尾灯相应的开路状况不同，车身控制模块的高端驱动器和组合尾灯的稳流器需要予以特别的考虑。

图1. 汽车车身模块及组合尾灯接口。

LED串理论

     基于LED的组合尾灯中，各个LED的排列通常有两种常见的拓扑结构：交叉连接(cross coupled)或串联串连接(series strings)。图2a和图2b详细描绘了这两种拓扑结构，提供给LED阵列的电流通过功率电阻来限制。大多数LED不容许并联连接，因为LED正向压降可能不匹配，导致不平衡电流均流(current sharing)。尾灯模式下电流均流更趋复杂，因为电流要求较低。由于LED以额定工作电流(及“停车”电流)来衡量特性，并且电流的大小通常比尾灯功能要求的电流大10倍，图2b所示的LED拓扑结构更受青睐。图2a中的单颗功率电阻在图2b中分为几个不同的功率电阻，分别专门用于各个LED串。在尾灯模式下，总电流均衡地分配给所有电流串，并在“停车”馈电线路中配有阻隔二极管。

图2a(上). 交叉连接拓扑结构；图2b(下). 串联串连接及N-1故障条件

     组合尾灯制造商为了解决电气设计问题，必须符合政府要求(如美国的联邦机动车安全标准FMVSS 108)。美国的这项规范要求在某个LED开路的情况下仍然维持所需的光输出。这就是N-1规则，可能迫使组合尾灯配备额外的LED。在图2中，从LED阵列中最少移除1颗LED并不会降低供电电流；相反，总电流转供给剩下的LED，导致剩下的LED电流增加，使用寿命缩短。为了确定任意哪个LED会开路， 每个LED要求大量的电路及线束，结果可能令成本不划算。

图3. LED串串联排列(每串偏置能使用3颗LED)。每串LED上都能轻易地进行开路测量。

    图2b中应用了N-1规则，从LED阵列中移除3颗LED，总电流略微下降，但车身控制模块检测不到这变化。然而，LED开路检测电路数量减少到要求的电流源数量或LED串数量。虽然图3中故障开路的LED有3颗，相比较而言图2a中仅1颗，如果确保诊断信号的话，串联串拓扑结构就是恰当的选择了。这就直接适用于基于LED的转向指示灯，这种灯使用诊断指示来闩锁整个LED阵列，使车身控制模块能够作出真正的负载开路检测，并且警示驱动器。某些地区市场强制要求停车灯功能带有这种闩锁特性。

     市场上存在着提供匹配汲电流、为多串LED供电的专用标准产品(ASSP)线性集成电路的商机。这种器件应当提供诊断信号，这信号在LED串中任何LED适用于N-1规则时用途标记(flag)。这种警示标记能用于闩锁整个组合尾灯，迫使车身控制模块检测到开路状况。此外，这种器件中还可以增添诸如过温关闭和功率反走等功能，使其在汽车负载需要承受的各种短路及瞬态电气条件下更为强固。

     安森美半导体开发的NCV7680满足组合尾灯工程师以任何拓扑结构例行应用各种LED阵列所需的要求。因为成本及电磁干扰(EMI)问题，这器件专门设计为恒流线性稳压器而非开关电源。

    图3a显示了NCV7680的框图。每路输出稳流的电流通过单颗电阻在Rstop引脚设定。这电阻提供特定的小电流，用于在每路输出复制。输出电流可以设定为每串最低不到10 mA，最高100 mA，使得总稳流电流为800 mA。LED串电流较高时输出可以一起短路。各路输出的匹配精度在完整汽车环境温度范围(-40℃至+125℃)下达到低于5%。

    触发了“停止”输入时，所有输出导通，并以设定的Rstop值稳流。输出一直保持导通，直到“停车”输入周期结束。如果“停车”引脚循环至低电平，且车身控制模块仍在以二极管Or(见图3b)来为LED阵列馈电，NCV7680就恢复到内部脉宽调制(PWM)模式，输出/串以平均电流强度值来调光。这就是“尾灯”模式，占空比能以Rtail值来选择。这个接地的电阻可以将尾灯PWM占空比设定在0到80%之间。内部振荡器频率内部设定为1 kHz，最为重要的是，电流转换率(slew rate)限制为低等级的6 mA/μs。因为PWM电流波形的缘故，这就确保不会出现辐射问题。诊断信号是源自八路电流输出的内部二极管Or。每次“停车”输入升至高电平，诊断信号就被拉至低电平。如何任何LED串开路，“停车”功能将激活，导致没有诊断激活。而使用简单的上拉电阻，即可使电路完整，提供简单的诊断功能。

图3a. 提供开发LED组合尾灯所需全部功能的NCV7680的框图。

    NCV7680是一款线性稳压器，这种情况下热管理又很快成为一个大问题。虽然这器件具有集成到SOIC 16封装中的暴露热焊盘，但在某些情况下需要额外的帮助来管理汽车电压下降。这器件用于驱动高端P沟道MOSFET的外部门极或PNP双极晶体管的基极。这器件带有反馈引脚，由内部1 V参考来控制。这种特性并非必须使用，但是，LED始终存在散热问题；在有外部晶体管的情况下，可以在印制电路板铜层或TO-220等其它散热配置上设计直接的功率通道。 

   图3b是NCV7680的应用电路图。这组合尾灯以“停车”电流电平来调制，而在“尾灯”模式下，电流精确地调节至Rstop电流值的15%。这设计集成了镇流器晶体管Q1以及电阻R11和R12，用作线性稳压器，限制NCV7680的压降。如果任何LED运用了N-1规则，就会使Q2、Q3及诊断输出动作，导致整个LED阵列闩锁。一旦LED阵列闩锁，“停车”线路需要拉至低电平，然后又拉至高电平。这就确保无颤振(无chatter free)特性，降低的电流会减少至低于6 mA，并且能够轻易地被车身控制模块感测到。

    LED组合尾灯如果需要瞄准全球市场，则需要特别注意。有规范强制某些组合尾灯应用根据N-1规则来提供诊断功能或是闩锁功能。安森美半导体的NCV7680能够用于应用及控制任何组合尾灯配置，包括停车车、转向车、尾灯及示廓灯。这种集成电路方案支持内置保护，防止过压、过载及过温关闭的不利影响。