摘要：隨著全世界不斷尋求更加智能的汽車照明系統和節約能耗，汽車照明成為了具有創新和改善空間的領域。如今的汽車固態照明（ASSL）系統帶有多種類型的負載，包括LED、OLED、激光二極管等，工程師需要尋找更靈活的平臺方案，從而在一個系統里高效地靈活地驅動這些負載。

　　帶有激光通道的LED前照燈就是一個典型的應用場景。照明控制單元（LCU）共用一個升壓電路的輸出來同時驅動激光通道和日行燈（DRL）通道。這種方法并不是非常高效，它會引起激光通道額外的發熱，因為激光通道與DRL共用同一電壓，導致驅動激光通道的驅動電壓高于實際所需電壓。

　　本文將研究如何利用恩智浦提供的汽車固態照明驅動器IC來解決這個問題。該驅動器IC可提供兩個獨立電壓，可通過SPI接口單獨控制每個電壓。本文通過兩個應用實例以及系統級別效率與激光通道效率之間的比較，很容易看出這種創新結構帶來的改進。

　　背景介紹

　　自幾年前推出LED和激光二極管技術以來，汽車前照燈得到了快速發展。采用激光通道的LED燈具通常具備自適應前燈照明系統（AFS）功能或矩陣光束，現在越來越受到OEM的歡迎。這不僅僅是因為它們節能，還因為它們不會產生眩光，能擴大遠光燈范圍。采用激光通道的LED前照燈在歐洲地區獲得了寶馬、奧迪等主要OEM廠商以及歐司朗等LED供應商的支持，因此發展尤為迅速。根據Driving Vision News 2014對前照燈光源市場份額趨勢的預測，自2020年開始，LED和激光前照燈所占的市場份額將快速提升，到2025年將達到大約18%。

　　1.照明控制單元

　　照明控制單元（LCU）是激光LED前照燈的關鍵組件，其功能包括基于激光的照明、AFS、動態調節或矩陣控制功能。典型實施方案如下面的圖2所示。

　　驅動器模塊通常包含微控制器（MCU）以及與車身控制模塊（BCM）通信的收發器。通過分析攝像頭或傳感器發出的信號感應交通狀況，BCM發出的指令給MCU， MCU通過SPI接口控制驅動IC。功率級通常采用兩級拓撲結構，這種結構利用升壓穩壓電路和獨立的降壓通道來驅動LED或激光二極管，以實現不同的照明功能。

　　2.功率級設計

　　如圖2所示，這種兩級拓撲結構使得電壓源能夠在多種條件下（例如負載突降和冷啟動事件）保持穩定，同時仍對每一級的負載動態變化快速做出響應。對于矩陣或全LED前照燈設計而言，這種特性至關重要。然而采用這兩級架構設計時，如何為不同的降壓通道選擇外部組件是一個頭痛的問題。例如，驅動DRL的降壓通道的輸出電流相對較低，為0.2-1 A，但電壓卻很高：因此，MOSFET漏源電壓（VDS）和二極管反向漏電流非常重要。但是，驅動激光通道的降壓通道的輸出電流則比較高，大于1 A，VF卻比較低：因此，MOSFET漏源通態電阻（Rdson）、電感直流電阻（DCR）以及二極管正向電壓則更加重要。很顯然，單憑一個升壓電壓是很難理想的驅動所有這些通道的。對于這種解決方案，可以采用兩個獨立的升壓，甚至一個升壓電壓加一個SEPIC電壓（包含在一個控制器IC）。該優勢來源于芯片強大的數字調節環路設計。以下顯示了兩種應用實例，清楚地表明了系統效率和激光通道效率的提升。

　　*應用實例1：讓我們來看看60 W LCU的設計示例，它采用了三組負載：54 V/540 mA DRL、16 V/0.5 A霧燈、8 V/2 A激光模塊，如圖3所示。

　　- 解決方案1：為所有三組降壓設計63V升壓。使用兩相并聯升壓壓來驅動60W可簡化MOSFET和電感器的設計過程。

　　- 解決方案2：為DRL設計一個63 Vboost1，為霧燈和激光模塊設計另外一個35 Vboost2。

　　在圖3所示的解決方案中，我們使用ASL2500作為驅動控制IC。ASL2500包含兩個獨立的內部控制環路（圖4），分別視為虛擬相位邏輯1和虛擬相位邏輯2。可利用SPI對不同的相位分配寄存器進行編程，以將兩個物理驅動級連接到內部虛擬相位中，而不需要使用額外組件來確定如何分配。升壓電路的輸出可并聯驅動同一個輸出電壓，或者驅動兩個獨立的輸出電壓。

　　從表1顯示的評估結果中，我們可以看出，相比解決方案1，解決方案2的系統效率提升了3%：相當于在60 W LCU設計中節省了1.8 W的發熱。考慮到LCU的小巧尺寸，這對于簡化散熱設計意義重大。

　　*應用實例2：此示例采用了60 W LCU的設計，它包含三組負載：52 V/320 mA DRL、15 V/0.55 mA霧燈、8 V/3 A激光模塊，如圖4所示。

　　- 解決方案3：為DRL 52V/320mA和霧燈15V/0.55mA設計63 V升壓，為激光模塊8V/3A設計9.5V SEPIC

　　- 解決方案1：為三組降壓設計63V升壓。使用兩相并聯升壓來驅動60W可簡化MOSFET和電感器的設計過程。

　　如果激光通道輸出電流為3A，或者是更高的6A，那么解決方案3將是一個不錯的選擇。ASL2500寄存器擁有豐富的環路補償參數（Kp、Ki）選擇，其頻率由SPI設置，范圍為125K-700KHz。這表示也可將其配置為SEPIC轉換器，以在某些典型的負載條件下使用。在本示例中，SEPIC轉換器很適合驅動激光二極管，因為電池電壓即可以高于也可以低于其輸出電壓。由于SEPIC輸出電壓僅比激光二級管（8 V）高出幾伏，而在升壓拓撲結構中，典型的輸出電壓要高于電池的最高電壓，比如升壓輸出35 V，如圖5。所以在效率方面，這個特性可以優化降壓通道的占空比，使降壓續流二極管的功耗達到最低。Buck 3的效率非常接近于同步整流降壓（使用低側MOSFET替代續流二極管的拓撲結構）的效率。因為Buck3的運行占空比較高，且續流二極管（D1）大部分時間都被關閉。

　　*例如：采用解決方案1時，在63 V降壓電壓、3 A電流下，如果驅動2個LED，則二極管的占空比為88%

　　3 A * 0.7 V * 0.88 = 1.89 W

　　采用解決方案3時，如果降壓為9.5 V，則二極管的占空比為19%

　　3 A * 0.7 V * 0.19 = 0.4 W

　　在圖5中，如果SEPIC是第一級，就能夠使用具有較低柵極電荷和“導通”電阻的40 V甚至30 V MOFSET。使用30 V肖特基勢壘整流器，VF和反向泄漏電流都會低于其60 V或100 V的型號。對于降壓電感器，交流和直流損耗也會減少。此外，buck 3的成本和尺寸會最大程度地縮減。

　　圖6 buck3的典型示意圖

　　如果我們更加仔細地研究buck 3，就能發現在元器件選擇上的不同。圖6顯示的是buck 3的典型示意圖，下方表2則總結了外圍元件的變化，特別是在SEPIC作為第一級時，Rdson、柵極電荷、VF、反向泄漏電流、DCR和交流損耗都會減少。下方表3顯示了60 V輸入電壓與9.5 V輸入電壓下，單獨測buck 3得到的效率的提升。表4中的結果是在第一級驅動和所有降壓級驅動都運行時測得的。

　　在系統效率比較表4中，解決方案1現在正在驅動buck3中的3A負載。我們可以看到，與之前在應用案例1中看到的、驅動buck 3中的2 A相比，效率下降了大約3%。這表明，對于應用實例2中的3 A激光通道示例而言，典型的單個升壓電壓并不是最好的選擇。從整個系統的角度來看，采用解決方案3提高的效率為1.65%。

　　表4：應用實例2的系統測試結果

　　總結

　　在本文的開頭部分，我們探討了汽車前照燈正在逐步發展為帶有激光功能或矩陣光束的LED燈。發生這種轉變有三重原因：節能、無眩光、擴大照明范圍。如本文中所述，恩智浦汽車照明驅動IC基于對LCU設計和IC設計知識的深厚了解，以及世界一流的汽車A-BCD混合信號HV工藝 。旨在提供 靈活平臺化的LED汽車照明解決方案。