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ROHM的汽車照明解決方案

2020-06-04
來源:與非網

 1、前言

汽車技術正在經歷重大變革。比如,電子元器件成就了自動駕駛技術所需的安全功能和感應功能,這是眾所周知的事實。

 

以前照燈和尾燈為代表的汽車外燈,也由傳統的燈泡型外燈發展為 LED(Light Emitting Diode,發光二極管)燈,光源技術正在取得長足進展。近年來,不僅讓 LED 發揮照明的功用,通過控制 LED 燈光來提高安全性的產品也在日益普及。此外,兩輪機動車的技術和產品更新也是日新月異,并且與汽車一樣對品質的要求非常高。

 

在這種背景下,ROHM 正在開發車載領域用的小型高可靠性 LED 以及控制 LED 燈亮必不可少的 LED 驅動器 IC,并提供適用于汽車照明的解決方案。在本文中,將介紹 ROHM 擁有的相關特色技術和產品。

 

2.  LED 驅動器 IC 的市場需求

2-1. 市場對 LED 燈的需求

外燈由燈泡型發展為 LED 燈,使得光源可以變得更小、更薄,越來越多的制造商致力于開發具有出色設計靈活性的 LED 燈。

 

要想提高 LED 燈的設計靈活性,就需要提高 LED 的輸出功率,降低驅動 LED 的控制電路的功耗并實現小型化。另外,延長使用壽命也非常必要。燈泡型外燈是以“達到一定壽命后可能會斷線并需要更換”為設計前提的;而 LED 燈通常是 LED 和控制電路一體化的模塊型產品,因此更換起來并不容易,故以“不會損壞”為設計前提,因此要求從元器件級別就必須確??煽啃?。

 

對降低成本的要求也不容忽視。例如,在以兩輪機動車為主要出行工具的東盟(ASEAN)和印度,兩輪機動車的售價非常低廉。因此對每個模塊的成本要求也非常嚴格,即使是 LED 燈也毫無例外。

 

2-2. 電阻電路和 LED 驅動器 IC 電路的區別

迄今為止,由于成本方面的優勢,控制 LED 用的電路主要采用通過電阻來控制電流的電阻電路。由于電阻電路可以以類似于以往的燈泡型外燈同樣簡單的構造來使 LED 燈亮,因此成本很低。但是,存在諸如電路的熱損耗導致的效率下降、以及無法檢測出 LED 故障之類的問題。

 

而使用了近年來備受矚目的 LED 驅動器 IC 的電路(以下稱“LED 驅動器 IC 電路”),具有可實現更低功耗、可通過內置的保護功能檢測 LED 故障以確??煽啃缘葍瀯?,但存在部件成本增加的問題。

 

下面具體說明它們之間的差異。

 

1  功耗方面

當作為驅動電路電源輸入的電池電壓上升時,電阻電路和 LED 驅動器 IC 電路所控制的 LED 電流特性大不相同。電阻電路的情況下,LED 電流會隨著電池電壓的上升而增加。而 LED 驅動器 IC 電路的情況下,即使電池電壓上升,也可以按照預先設置的電流值執行恒流驅動。例如,以電池電壓 13V 時的電流值為例,與電阻電路相比,LED 驅動器 IC 電路的功耗可減少 50%。由此可見,LED 驅動器 IC 電路在低功耗方面更具優勢。(圖1)

 

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圖1. 功耗方面的特性比較

 

2  可靠性方面

在可靠性方面,LED 驅動器 IC 電路也更具優勢。這是因為實際安裝的部件數量較少,故控制電路板中的部件故障可能性也更低。而且,針對 LED 燈的開路和短路故障,LED 驅動器 IC 可以檢測出 LED 的異常并輸出異常信號以通知外部。這樣可以盡早發現 LED 問題導致的 LED 燈亮度降低等不安全狀態,并可以盡早采取對策。

 

3  成本方面

在成本方面電阻電路更具優勢。例如,在圖 1 中,假設驅動 9 個(3 列 LED×3 段串聯,約 150mA/ 列)LED,此時,電阻電路中至少需要 10 枚 1W 的電阻器,而 LED 驅動器 IC 電路僅需要約 4 枚 IC(具體數量因封裝而異)。電阻電路看似部件數量較多,成本也較高,但可以通過使用多個比 IC 便宜得多的大功率電阻器來降低成本。而在 LED 驅動器 IC 電路中,需要控制燈亮的 LED 越多,所需的 IC 也就越多,與電阻電路相比,成本反而增加。

 

綜上所述,以往的電阻電路和 LED 驅動器 IC 電路都只能滿足市場要求的“低功耗”、“高可靠性”、“低成本”中的一部分需求。未來要想進一步普及 LED 燈,就需要針對這三項需求開發出三者兼顧的 LED 驅動器 IC。

 

3. ROHM 的新 LED 驅動器 IC

ROHM 不僅可以提供里程表指示燈光源用的 LED 驅動器 IC、CID(Center Information Display)和液晶儀表面板白色背光用的 LED 驅動器 IC,還可以提供用于前照燈和尾燈的 LED 驅動器 IC,擁有眾多控制汽車和兩輪機動車中使用的各種 LED 的技術與產品。

 

針對前述的市場最新需求,ROHM 確立了一種新的控制方式“Energy Sharing”,可將功耗從 LED 驅動器 IC 內部分散到外部電阻,并開發出采用這種控制方式的 MOSFET 內置型 4 通道線性 LED 驅動器 IC“BD183x7EFV-M”(BD18337EFV-M / BD18347EFV-M),適用于兩輪 / 四輪機動車中應用日益普及的 LED 燈(剎車燈、后尾燈、霧燈、轉向燈等)。

 

下面介紹一下“Energy Sharing”控制方式。

 

3-1. 降低 LED 驅動器 IC 功耗時面臨的課題

首先,在圖 2 中給出了普通 LED 驅動器 IC 的電路結構及其特性示意圖。在 LED 驅動器 IC 內部有為 LED 提供電流的恒流電路,在 IC 的輸入端連接電池電源,在 IC 的輸出端連接 LED。當與電池電源的輸入電壓相連接的電源 A 上升到一定程度時,LED 驅動器 IC 內部的恒流電路可以恒定地輸出 LED 電流。因此,輸出引腳的電壓等同于所連接 LED 的正向電壓特性,是恒定的。

 

LED 驅動器 IC 的功耗為恒流電路輸入輸出間電壓差與 LED 電流的積,因此功耗隨著電池輸入電壓的上升而增加??梢?,要想降低 LED 驅動器 IC 的功耗,就需要降低恒流電路的輸入輸出間電壓差或 LED 電流。由于 LED 電流是根據客戶要求決定的,很難變更,所以 ROHM 開發出一種控制恒流電路的輸入輸出間電壓的方式。

 

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圖 2. 普通 LED 驅動器 IC 的電路結構及其特性

 

3-2. 通過降低 IC 功耗來降低成本的“Energy Sharing”控制方式

接下來,圖 3 中給出了 ROHM 開發的新控制方式“Energy Sharing”的電路結構,該控制方式通過降低 LED 驅動器 IC 的功耗實現了更低成本。通過使部分 LED 電流分流至驅動器 IC 外部的電阻 R,來控制恒流電路的輸入輸出間電壓,并抑制 LED 驅動器 IC 的發熱量。通過新增的模塊來監控輸出引腳電壓,將電源 A 的電壓控制為恒定電壓。流過電阻器的電流由電阻兩端產生的電池電壓和電源 A 電壓的電壓差(電池電壓-電源 A 電壓)、以及外置電阻 R 來表示。通過使電阻電流隨著電池電壓的增加而增加,來將電源 A 電壓控制為恒定電壓。利用這種控制方式,可使以往 LED 驅動器 IC 本身消耗的功率大部分由外置電阻 R 消耗,從而使 LED 驅動器 IC 的功耗比以往降低約 75%。這樣,這種由 LED 驅動器 IC 和外置電阻 R 分別分擔功耗的結構,使以往由 4 枚 IC 實現的功率僅由 1 枚 IC 和大功率電阻即可實現。

 

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圖 3. ROHM 的 LED 驅動器 IC 電路結構及其特性

 

搭載 LED 驅動器 IC 新產品的電路成本雖略高于電阻電路,但與以往的 LED 驅動器 IC 電路相比,成本可降低 40%左右。 除“低功耗”和“高可靠性”之外,通過與外置電阻相結合的方式,還可以實現電阻電路的“低成本”。ROHM 僅通過在以往 LED 驅動器 IC 的輸入引腳端增加 1 個引腳,即可實現該功能。此外,還支持兩輪機動車特有的開 / 關燈模式,大部分必要功能僅由 IC 即可滿足。

 

4.  適用于汽車的 ROHM LED

最后介紹一下 ROHM 的車載級 LED 產品。

 

ROHM 自 1973 年開始生產炮彈型 LED 以來,在產品開發方面,已經連續 45 年處于行業領先地位。ROHM 的最大優勢在于,能夠進行全面而嚴格的品質管理并利用垂直統合型生產體制(從元件制造階段開始就嚴格貫徹產品理念)進行獨有的產品開發。另外,能夠提供高品質產品也是 ROHM 的優勢之一。例如,ROHM 采用了在裝配工序易于制造的芯片設計,對超小型產品實施可追溯管理,按照車載級產品的品質要求進行流程管理等一系列確保高品質的手段。

 

4-1. 儀表盤指示燈光源用 LED

近年來,越來越多的儀表盤指示燈光源開始采用小型 LED。但是,為了適應汽車嚴苛的溫度環境,一般會設置一個空間來避免遮光壁和 PCB 板接觸,LED 的光線從這個空間向相鄰部位“漏光”一直是亟需解決的課題。另外,隨著 LED 在各個領域的應用越來越廣泛,尤其是在使用環境嚴苛的汽車領域,需要的是對于環境應力導致的經年老化已經采取對策、并具有高度可靠性的產品。

 

在這種背景下,ROHM 面向可能在嚴苛環境下使用的汽車儀表盤指示燈光源,開發出小型、高輸出的透鏡型表面貼裝 LED“CSL0901/0902 系列”。將光源的位置提高到 0.49mm,解決了漏光問題。這使得小型 LED 能夠得以采用,與以往的反射式 LED 相比,體積僅為 1/18,從而有助于節省應用的空間。另外,通過采用 ROHM 新開發的模塑樹脂,使得即使是短波長高亮度產品,也成功改善了高溫通電時的光衰問題。比如在藍色 LED 的高溫通電加速度試驗(Ta=85℃、IF=20mA、通電 1000Hr)中,與以往產品相比,光通量改善了約 80%。不僅如此,還提高了抗硫化性能,以防止車載應用中的經年老化原因之一 ---- 硫化問題。

 

4-2. 車內照明光源用 LED

隨著目標應用的多功能化,包括儀表盤在內的車內設備中,對于照亮圖標顯示、汽車導航等所有面板的照明光源用 LED 的小型化要求也越來越高。

 

針對這種市場需求,ROHM 通過改善封裝形狀、反射器材質、元件及表面鍍層等,來推進小型高亮度 LED 的開發。此外還通過精細調整元件和熒光體,顯著改善了色度的不均衡問題。通過這些努力,ROHM 實現了雖為 1608 尺寸的小型封裝卻具有與以往大型封裝同等亮度的產品。

 

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圖 4. 車外照明光源 LED 的發展趨勢

 

4-3. 車外照明光源用 LED

從設計靈活性的角度來看,車外照明光源中不僅要求 LED 的小型化和薄型化,為了減少搭載數量,對大功率 LED 的需求也逐年增加。另外,汽車用剎車燈等通常會在惡劣的環境下使用,為了確??煽啃?,必須采取抗硫化措施。因此,ROHM 目前正在推進開發既能保持高亮度又具有出色的抗硫化性能的大功率 LED 產品。這些產品與前述的 LED 驅動器 IC 相結合,有望實現適用于車外燈的性能。

 

5.  未來發展方向

一直以來,ROHM 始終堅持“品質第一”的企業宗旨,開發適用于汽車照明的先進產品。本文從 ROHM 豐富的產品陣容中,選取并介紹了獨具特色的兩類產品,包括兼顧三大市場需求的 LED 驅動器 IC 和實現了小型高可靠性的 LED。

 

未來,隨著自動駕駛的普及,汽車照明不僅僅擔負著夜間照亮前方和剎車時提醒后方的作用,還有可能承擔起向外部通知車輛狀態等信息的作用。因此,LED 需要提高輸出功率,而 LED 驅動器 IC 需要能夠支持動態控制光源并將信息傳遞給外部的控制方式。ROHM 希望通過迅速捕捉這些市場變化,繼續提供滿足客戶和社會需求的產品。


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