安森美半导体先进汽车照明解决方案点亮汽车内外.doc

电源在线网-中国领先的电源行业商务平台
安森美半导体先进汽车照明解决方案点亮汽车内外
安森美半导体
ON Semiconductor
摘要：LED照明具有寿命长、响应时间快、节能环保等优点，使其在汽车照明中的应用不断扩大。本文详细介绍了安森美半导体在汽车照明应用中的各类LED单芯片驱动器解决方案。
关键词：汽车照明 LED 驱动器
Keywords: Car Lighting, LED, Driver
1 前言
随着汽车工业的发展，越来越先进的照明技术在汽车上正得到更多应用。其中，发光二极管(LED)照明具有卤素灯和氙气灯无法比拟的优点，如寿命长、响应时间快、节能环保等，加快了在汽车照明中大量采用的步伐。
安森美半导体身为应用于高能效电子产品的首要高性能硅方案供应商，以先进半导体技术为依托，持续致力于汽车前照灯、仪表盘背光、内部照明、车门照明及尾灯等汽车照明应用，提供包括标准及定制产品在内的丰富方案，如步进电机驱动器、LED驱动器、氙气灯驱动器、卤素灯驱动器、LED背光驱动器等，尤其是在前照灯调整和偏转用氙气灯驱动专用集成电路(ASIC)，以及成为事实标准的步进驱动器方面领先市场。
2 汽车前照灯发展趋势
目前路上行驶的大多数汽车，配备的前照灯仍为卤素灯，主要提供远光灯和近光灯(HB)功能。其中，近光灯的典型功耗为55W，光输出约为1,000lm相比较而言，推出已有10多年的高强度气体放电灯(HID)功耗为35W，光输出约为3,500lm。由于HID灯发光强度高，有令对向接近汽车驾驶员眩目的风险，出于安全考虑，一些国家要求近光灯带有水平位置自动调节功能，并附带高压清洗装置。随着时间的推移，越来越多HID灯将会把远光灯功能
融入到双氙气灯方案中。
由于节能方面的要求日趋严苛，虽然卤素技术仍在用于前照灯照明，汽车设计越来越多地转向了LED照明。LED照明可提供增强的造型选择，实现“即时”照明，允许从0％到100％功率的亮度控制。
汽车前照灯应用的另一个重要趋势，就是自适应前照灯系统(AFS)，提供光束偏转功能以优化弯道照明，以及自适应前照灯(ADB)以根据实际环境实时调整光束。步进电机则为AFS和ADB提供控制功能。
安森美半导体为汽车前照灯照明应用提供宽广系列的产品，从一般灯泡驱动器方案到步进驱动器、LED驱动器和氙灯驱动器等，不一而举。

图1 安森美半导体汽车前照灯方案(见深绿色背景框)
3 安森美半导体汽车照明方案示例
（1) 前照灯调整和偏转
单芯片微步进电机驱动器AMIS-30623，适用于前照灯的水平调整和偏转控制。它集成了控制器和LIN接口，用LIN主机实现远程连接的专用机电一体化解决方案设计。该器件通过总线接收位置调整指令，随后驱动电机线圈到所需的位置，利用电流、速度、加速度和减速配置参数。AMIS-30623还可检测电机停转状态。

图2 AMIS-30623前照灯水平调整和偏转电路
另外两款器件也可以用于上述应用，NCV70521和NCV70522均为单芯片微步进电机驱动器，带有电流转换表和SPI接口。NCV70522还包括嵌入式5V稳压器和看门狗复位功能。该器件可作为外设驱动器，接受来自微控制器的“下一步微步”指令，并使电机线圈电流与所需速度同步。集成的SPI总线允许参数设置和诊断反馈。

图3 NCV70522单芯片微步进电机驱动器

（2) 高级LED前照灯电源镇流器及双LED驱动器
单芯片NCV78663、智能前照灯LED驱动器可实现远光灯近光灯、日间行车灯、示廓灯、弯道辅助照明灯、转向指示灯、及雾灯的单芯片控制。NCV78663集成了数字调光、SPI可编程设置和内置诊断，提供了一个集成的、高能效集成型前照灯控制解决方案。

图4 NCV78663前照灯电源镇流器
（3) LED组合尾灯线性电流稳流和控制器
单芯片NCV7680包括8个线性可编程恒流源。采用NCV7680的系统设计可实现两个亮度等级，一个是刹车灯，一个是尾部照明；还可以实现可选PWM控制，这是调光LED的首选方法。PWM发生器的固定频率可提供无闪烁照明。可选的外部镇流器FET有助于实现要求高电流设计的电源分布。
为了支持LED串常见的汽车组合尾灯(RCL)配置，NCV7680提供了八路匹配输出来驱动各串LED，且采用1颗电阻来设定电流。单独的LED串驱动可确保LED串之间相等的电流分配。
NCV7680可以作为一个独立器件，也可以作为配合复杂系统的额外支持电路。结合升压控制器运行时，额外LED可连接为一个LED串。其典型应用，包括组合尾灯、日间行车灯(DRL)、雾灯、中央高位刹车灯(CHMSL)阵列、转向指示灯和其他外部调制应用、液晶显示器(LCD)背光等。

图5 NCV7680组合尾灯线性电流稳流和控制器
上图中二极管改为空心中间通直线，电阻改为长方形
（4) 汽车内部照明LIN RGB LED驱动器
LIN总线(本地互连网络)是一种低成本的串行通信协议，在目前汽车网络架构中比较流行。它是一个相对低速率的通信系统，旨在监视当今汽车中的传感器设备或执行器。
NCV7430 LIN RGB LED驱动器，结合了LIN收发器与RGB LED驱动器和内存。它是一个单芯片RGB驱动器，旨在监测汽车内部照明中的专用多色LED应用。包含LED颜色和亮度参数编程的LIN接口(从设备)。器件通过LIN总线接收指令，随后独立驱动LED。
NCV7430是LIN总线上的从器件，主器件可以请求特定状态信息(参数值和错误标志)。NCV7430的LIN地址可以用器件内存编程。NCV7430与汽车要求完全兼容。

图6 NCV7430 LIN RGB LED驱动器
（5) 汽车外部和内部照明恒流稳流器
双端线性恒定稳流器(CCR)是简单、经济和强大的器件，为成本敏感的LED应用电流调节提供了一个有效的解决方案。该器件无需外部元件，就能够实现高边或低边稳流器。这些器件可在较宽输入电压范围调节输出电流，具有负温度系数特性，防止极端电压和工作温度条件下LED的热失控。这类器件包括NSI45xxx、NSI50xxx、NSIC20xx和NSI45xxxJ几个系列。

图7 NSI45汽车外部和内部照明恒流稳流器
（6) 紧凑型降压LED驱动器和高亮度LED恒流开关稳压器
CAV4201和CAT4201是安森美半导体推出的多用途紧凑型降压LED驱动器，采用专利的均流调节架构，可用24V驱动多达7个串联的LED，处理高达40V瞬变；其电源效率高于94％，有电流限制、热保护及LED开路保护功能。重要的是，它符合AEC-Q100规范，除适合MR16灯泡、光条、建筑照明、标牌和太阳能照明应用外，更适合汽车照明应用。

图8 CAV4201紧凑型降压LED驱动器
NCV3065和NCV3066是多拓扑结构、高亮度LED恒流开关稳压器，符合AEC-Q100要求。其LED驱动电流高达1.5 A，用外部开关提高效率，适用于PWM和模拟调光，处理高达40V瞬变。两款器件十分适合电路板空间有限、存在高压、高温环境的汽车LED驱动器应用，实现高亮度LED的高效率和高可靠性。

图9 NCV3065高亮度LED恒流开关稳压器
4 总结
安森美半导体一直在利用其先进汽车工艺技术，为汽车照明应用提供各种标准产品和定制器件。所有这些集成电路，均符合汽车可靠性和温度等规范和环保要求，在满足人们对车内照明控制、前照灯、组合尾灯、雾灯、示廓灯，尤其是新光源要求的同时，也让驾驶者充分体验到，包括LED照明在内的新兴照明技术所带来的舒适性和乐趣。

因需要从有机EL取出光，最少必须一端为透明电极。光的取出方式，有从基板层取出的底部发射型和从成膜侧取出的顶部发射型。将通常基板侧作为空穴注入侧，但也有作为电子注入侧的逆结构型。所谓透明电极，一般是采用铟锡氧化物半导体（ITO）。导电性高，透明性好的ITO的制成，需要数百℃的基板加热温度。在用于显示器的情况下，能将驱动晶体管形成于下层，开口率高的顶部发射型已成为主流，故透明电极的形成很重要。在照明控制盘情况下，较之密封等受制约的顶部发射型，底部发射型在制作时加工处理更方便。
对于金属阴极，因降低了电子注入的势垒，利用了功函数低的金属。但具有低功函数的金属，水和氧的活性弱，是初期有机EL的劣化原因之一。

2 有机EL的发光原理
OLED（Organic Light Emitting Diode）是指有机半导体材料和有机发光材料在电场的驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的技术。
图2所示为有机EL的发光原理。用ITO玻璃透明电极和金属电极分别做成有机EL器件的阳极和阴极，在一定电压驱动下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子传输层（ET）和空穴传输层（HT），然后分别迁移到发光层（EM），相遇后形成激子（exciton）,使发光分子激发，后者经过辐射后发出可见光。辐射光可从ITO玻璃板一侧看到，金属电极膜同时也起到了发射层的作用。

当注入的空穴和电子的比例为1:1时，对应于合理的电流，效率高。有利于再结合的电流成分与流过器件的全电流之比，称为载流子平衡（Carrier balance）因数。与无机半导体不同有机分子中的再结合，形成所谓激子的激励状态。激子失去活性之际则发光。通过载流子的再结合，自旋多重度各异的一重激子与三重激子形成1:3的比例时（荧光激子的生成效率为25%），由一重激子发出的光称为荧光，由三重激子发出的光称为磷光。按照激子生成的比例，发出磷光的效率高。由于自旋禁制，三重激子的寿命比一重激子的寿命较长。但因发热而易于无辐射的失去活性。以重金属作为中心金属的金属络合物中，将一重激励状态与三重激励状态相互之间进行交叉，可得到常温下产生100%磷光的材料。如果利用这样的一种材料，则能实现高效率的有机电致发光(EL)。
一般，由光激励的激子辐射光的比例，称为PL量子效率。若取出的光子数与流过有机膜器件的电子数相同，则内部量子效率处于100%的状态。但实际上必须从透明电极和基板之外取出光，这就是外部取出光的效率低的原因。尤其对光学研究不足的底部发射型，光的取出效率仅20%左右。这种场合下利用荧光材料，即使采用参数的最大值，外部量子效率仅5%。完全转换为磷光材料时，可提高到20%。
图3为有机EL的电致发光效率示意图。外部量子效率可按式（1）给出
ηext=α·ηint=α·φpl·φexc·r （1）
式中：α-从外部取出光的效率；ηint-内部量子效率；φpl-PL量子效率；φexc-激子生成效率；r-载流子平衡因数。此外，有机EL的外部量子效率有随电流的增加而下降的趋向（roll-off现象），特别对效率高的磷光材料更明显。为此，在高亮度区，磷光材料与荧光材料的外部量子效率几乎无差别这并不罕见。

3 有机EL的特点
有机EL的主要特点可列举如下：（1）由于基板可做成柔性结构，能实现薄形轻量化；（2）为平面型面发光体，可以卷起来；（3）高速响应，发光反应速度快；（4）工作时产生的热量低，耗电量相应少；（5）抗震动，耐撞击性能好；（6）应用较方便，成本低；（7）不含汞，环保无汞污染；（8）制造工艺较简单，易于大规模生产；（9）使用寿命长，目前已达到5000h~20000h，理论上可达20万h；（10）发光效率高，目前OLED的发光效率已达60 lm/w，预计可达到200 lm/w以上，特别是有机EL用于显示器场合，广阔视野角度(视角广)的高对比度，无论在亮的场所还是暗的场所，图象质量都非常鲜明，可谓是显示器的理想材料和器件。

4 与其它照明光源的比较
图4所示为有机EL、LED、无机EL的发光原理图。有机EL为面发光体，作为面发光体还有前述的无机EL。有机EL和半导体LED均为注入型电致发光，无机EL则为固有的电致发光。而且，在无机EL中，连续的发光需100V以上的电压和数kHz的高频率。即使目前未能达到高亮度状态，但利用涂敷法能实现BO尺寸的平面发光还是有魅力的。图5为EL潮流公司的AO尺寸发光薄膜与用半导体LED装配的照明面板。作为无机EL的研究课题，应提高亮度与实现白色化。

电光源技术经历了第一代的热辐射电光源（如白炽灯，卤钨灯等），第二代的低压气体放电电光源（如荧光灯），第三代的高压气体放电电光源（如高压汞灯、高压钠灯和金卤灯等）和第四代的固体电光源（如LED等）的变迁。
白炽灯的价格低是其优点，但至今在能源问题上的耗电，大部分能量转成热而散散掉，故能效低的白炽灯，预定在2012年以后将停止生产。荧光灯的效率较高和寿命较长是优点，价格也不算高，但伴随着气体放电的汞（Hg）原子，因其激励和失去活性引发紫外（UV）光，紫外光在荧光体中变换成可见光，由此而照明。原理上照明光中含有UV光，在有些场合是不适用的。同时，废弃时还应考虑汞的环境污染。根据ROHS对有害物的限制指令，汞将是直接被规定限制的对象。
半导体LED其高亮度与长寿命是显著优点，至于在照明上的应用还须考虑以下问题：（1）LED是点光源，发光面积小，光输出过于集中，故必须进行二次配光才能达到实际使用效果；（2）LED芯片的主要材料镓（Ga），原材料稀少，成本高。目前LED的售价是白炽灯、气体放电灯十几倍甚至几十倍以上，这是LED推广应用的瓶颈。不过，现在LED的制作方法已经确立，芯片的制造可实现自动化，正向低成本化急速推进，有望提高性价比。
最近开发的藉助扩散板的面光源监控盘, 如图5所示。这一面光源是利用了有机EL，其发光效率（接近荧光灯的）已得到迅速改善。发光光谱为完全的可见光，尤其是有效发挥了平面光源的照明设计特色。

有机EL（电致发光）是继LED之后又发现的一种更为优秀的（参见本文第3节）固态电光源。不远的将来它将会广泛应用于照明场合，会逐步瓜分LED和部分气体放电光源的应用市场，形成照明领域的主要电光源之一。
照明的基色为白色光，有机EL用于照明时，白色光的制法可通过：（1）利用具有广阔EL光谱的单独材料；（2）利用具有蓝色与黄色那样补色关系的发光材料；（3）利用红绿蓝（RGB）三色以上的发光材料来实现。图6 所示为器件的结构与白色化的概念图。

表1 有机EL与其它照明光源的比较
表1
类型
有机EL
白炽灯泡
荧光灯
LED
发光原理
电场发光
黑体放射
放电
电场发光
效率（lm/w）
60~80
10~20
60~100
80~100
价格
？
低
一般
稍高
寿命（h）
？
~1000
~10000
>40000
其它
无紫外光
无热源
面光源
无紫外光
有热源
含紫外光
含汞
无紫外光
点光源
有指向性

11