设计散热更佳的多通道动态车灯

Oster Hsu

Xavier Ribas

Junjian Zhao

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简介

汽车领域对电气化的推动让各种具有独特功能的汽车不断出现在人们的视野中，而且其增长速度令人惊异。过去笨拙且功能单一的车灯也正在被新颖的、环绕汽车前部、后部或侧面的细长型设计所取代。不断超越传统的照明或信号传递意味着未来车灯的设计将面临更多的挑战，例如显示复杂的模式和算法，与此同时还要应对散热管理、外形尺寸和成本方面前所未有的限制。

自适应前照灯就是其中一项新设计。这种灯也称矩阵大灯，它用大量 LED 矩阵代替了以前的灯泡，可以明显改善散热并增强光束控制。其矩阵中的每个 LED 都可独立控制，因此灯光设计可以更加新颖、更加吸引人，同时它还能够改善驾驶员的视野并根据环境来调整光束。通过关闭不必要的照明元件并保持其余部分完全点亮，前照灯可以只照亮驾驶员需要看到的地方，而不会分散其他道路使用者的注意力。

本文将介绍电气工程师在设计这些新型照明产品时所面临的挑战。文章将侧重于说明如何正确选择用于多光束前照灯的 LED 驱动器，并阐述自适应反馈控制 (AFC) 对散热管理的改善。我们将通过一个多光束前照灯的设计对这些问题进行解释，从上层的系统概述，直到 LED 驱动器的选择。

矩阵前照灯

多光束前照灯主要包含三个组件：LED、LED 驱动器和预稳压器（降压变换器）（见图 1）。

图1: 矩阵前照灯

选择LED驱动器

在前照灯的设计过程中，设计人员会面临两项主要限制：PCB 尺寸和散热。首先，PCB 必须尽可能地小才能装入前照灯外壳中，这意味着最大限度减少元件数量非常重要。其次，照明设计必须认真考虑应用的散热问题，以避免器件过热并损坏组件。因此，必须根据系统规范谨慎选择 LED 驱动器。

Bec本文的示例系统需要出色的可扩展性，同时需要每器件提供大量通道，因此我们选择MPQ7225-AEC1作为LED 驱动器。该驱动器不仅减少了元件数量，还缩小了 PCB 尺寸，同时仍具备 LED 的可控性。具体而言，该设计采用了6个 MPQ7225-AEC1 器件，每个器件都可提供多达14 个通道（见图 2）。MPQ7225-AEC1是一款16 通道 LED 驱动器，它可以单独控制多达 96 个 LED，当然本设计并不需要如此多的通道。

图2: LED 矩阵PCB

除了 LED 驱动器的可扩展性之外，亮度也是照明部件设计的一个重要参数。对多光束技术而言，每通道都需要有足够的电流，而且通道之间的串间差异必须有所限制，这样才能避免 PCB 上的某些部件过热。MPQ7225-AEC1 是此类应用的理想 LED 驱动器。它允许的每通道 LED 电流 (ILED) 高达 200mA，而且全温范围内的精度可达 5%。本设计用于提供前照灯的远光灯，因此每通道的标称电流设置为 200mA。

可配置的电流将有助于管理照明电路板的温度。当电路板温度升至最大值时，LED 驱动器必须利用调光技术来降低 LED 电流，从而降低板的温度。MPQ7225-AEC1 提供两种不同的调光技术：PWM 调光和模拟调光，均可独立应用于每个通道。

图 3 显示了如何将 PWM 调光应用于 2 个不同的通道。通道1的PWM 调光占空比为50%，通道 2 的PWM 调光占空比为25%。示波器捕获通过这两个通道的电流，以及通道之间 PWM 调光的差异。 PWM 调光频率设置为 500Hz。MPQ7225-AEC1 提供配置功能，该值还可设置为 250Hz 或 1kHz。

图 3：通道1的PWM 调光占空比为50%，通道 2 的PWM 调光占空比为25%

预稳压器自适应反馈控制 (AFC)

除调光以外，照明设计中的部分 LED 驱动器还采用其他技术进行散热管理。例如，MPQ7225-AEC1 提供自适应反馈控制 (AFC)功能，它可以根据裕量值调整 DC/DC 变换器的输出电压 (V_OUT)。这优化了整体系统效率与温度。

图 4 显示了MPQ7225-AEC1 中AFC的实现。它检测每个通道中的电压，如果任何一个LED的输出电压低于 0.3V，则降压变换器的 V_OUT 增大；当电压超过 0.4V，预稳压器的 V_OUT将降低。

图4: AFC功能

由于 LED 的正向电压随温度降低，所以较高温度下的裕量电压也会增加，这会降低系统效率并让散热变糟。但启用 AFC 功能后，预稳压器的 V_OUT 会在温度升高时降低，从而优化效率和整个系统的行为。采用 MPQ7225-AEC1 并启用 AFC功能，设计人员将可以改善照明设计中的散热问题（见图 5）。

图 5：LED 特性与裕量电压之间的关系

F图 6 显示了启用 AFC功能与否的散热差异。如果 VBIAS 为非固定值，它会根据裕量电压而变化；LED 驱动器温度则下降 34°C (当 I_LED = 200mA时）。

图 6：不启用 AFC（左）和启用 AFC（右）时的散热性能比较

其他设计考量

对汽车行业来说，遵循EMC标准进行设计非常重要。因此，我们建议选择具备 EMI降低功能的 LED 驱动器。MPQ7225-AEC1 即具有三种 EMI 降低方案，本设计采用了其中的两种方案。

首先，通过我们选择的 LED 驱动器，设计人员能够在应用 PWM 调光时改变电流脉冲的斜率。在本设计中，MPQ7225-AEC1 被配置为具有20µs强制斜率。图 7 显示了该斜率如何通过平滑转换和减少尖峰来影响直线电流转换。示波器的通道 1 和通道 2 捕获具有不同 PWM 调光占空比的两个不同通道。第一个脉冲表明，当没有施加斜率时，脉冲中间出现一个尖峰；但当斜率配置为 20µs 时，没有尖峰出现。

图 7：大斜率与 20µs 斜率间的比较

其次，设计人员可以添加内部时钟的频谱扩展功能。当设计提供该功能时，内部时钟频率（及其谐波）周围的 EMI 噪声将降低。

最后，LED 矩阵应具有强大的管理功能，以在行驶期间迅速、精准地适应灯光设计。这就需要外部控制器与LED 驱动器之间具备快速而可靠的通信。此外，控制器板（做出决策之处）和 LED 板之间可能距离较远，外部噪声有可能破坏通信。在这种情况之下，协议必须不受噪声影响。考虑到这一点，我们建议采用差分接口，例如 CAN。MPQ7225-AEC1兼容 2Mbps CAN 差分接口，因此仍是一个理想的选择。

通过该通信协议控制 LED 驱动器，以在不更改硬件设计的情况下配置 LED 矩阵最重要的设置（例如 LED 亮度和灯光设计）也非常重要，因此它可以减小 BOM 和 PCB 尺寸。本文选择的 LED 驱动器具有带大量寄存器映射的数字接口。用户可关闭 LED，修改其亮度，并监测运行期间可能发生的故障。

结语

多光束技术是汽车行业的一项重大进步，它可以使远光灯适应道路布局和环境，额外的照明能让驾驶员即使在能见度低的情况下也感觉到安全。然而，多光束技术的照明设计也极具挑战性，但选择理想的 LED 驱动器将能够应对这些挑战。本文建议的 MPQ7225-AEC1 具有出色的可扩展性、EMI 降低技术和强大的通信功能。另外，在设计多光束系统时，散热也是重中之重，因此还建议引入 AFC 和调光等相关技术。