ROHM的汽車照明解決方案

1、前言

汽車技術正在經(jīng)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(tǒng)的燈泡型外燈發(fā)展為LED(Light Emitting Diode,發(fā)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(fā)揮照明的功用,通過控制LED燈光來提高安全性的產(chǎn)品也在日益普及。此外,兩輪機動車的技術和產(chǎn)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(fā)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(chǎn)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(fā)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(fā)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(xiàn)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(chǎn)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保可靠性。

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(qū)別

迄今為止,由于成本方面的優(yōu)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(xiàn)更低功耗、可通過內(nèi)置的保護功能檢測LED故障以確保可靠性等優(yōu)勢,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(zhí)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(yōu)勢。(圖1)

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(yōu)勢。這是因為實際安裝的部件數(shù)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(fā)現(xiàn)LED問題導致的LED燈亮度降低等不安全狀態(tài),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(yōu)勢。例如,在圖1中,假設驅動9個(3列LED×3段串聯(lián),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(shù)量因封裝而異)。電阻電路看似部件數(shù)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(fā)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(chǎn)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(nèi)部分散到外部電阻,并開發(fā)出采用這種控制方式的MOSFET內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(jù)客戶要求決定的,很難變更,所以ROHM開發(fā)出一種控制恒流電路的輸入輸出間電壓的方式。

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(fā)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(xiàn)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(fā)熱量。通過新增的模塊來監(jiān)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(chǎn)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(xiàn)的功率僅由1枚IC和大功率電阻即可實現(xiàn)。

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(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)品。

ROHM自1973年開始生產(chǎn)炮彈型LED以來,在產(chǎn)品開發(fā)方面,已經(jīng)連續(xù)45年處于行業(yè)領先地位。ROHM的最大優(yōu)勢在于,能夠進行全面而嚴格的品質管理并利用垂直統(tǒng)合型生產(chǎn)體制(從元件制造階段開始就嚴格貫徹產(chǎn)品理念)進行獨有的產(chǎn)品開發(fā)。另外,能夠提供高品質產(chǎn)品也是ROHM的優(yōu)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(chǎn)品實施可追溯管理,按照車載級產(chǎn)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(huán)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(huán)境嚴苛的汽車領域,需要的是對于環(huán)境應力導致的經(jīng)年老化已經(jīng)采取對策、并具有高度可靠性的產(chǎn)品。

在這種背景下,ROHM面向可能在嚴苛環(huán)境下使用的汽車儀表盤指示燈光源,開發(fā)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(jié)省應用的空間。另外,通過采用ROHM新開發(fā)的模塑樹脂,使得即使是短波長高亮度產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)年老化原因之一----硫化問題。

4-2. 車內(nèi)照明光源用LED

隨著目標應用的多功能化,包括儀表盤在內(nèi)的車內(nèi)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(fā)。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(xiàn)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(chǎn)品。

圖4. 車外照明光源LED的發(fā)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(shù)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(huán)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(fā)既能保持高亮度又具有出色的抗硫化性能的大功率LED產(chǎn)品。這些產(chǎn)品與前述的LED驅動器IC相結合,有望實現(xiàn)適用于車外燈的性能。

5.未來發(fā)展方向

一直以來,ROHM始終堅持“品質第一”的企業(yè)宗旨,開發(fā)適用于汽車照明的先進產(chǎn)品。本文從ROHM豐富的產(chǎn)品陣容中,選取并介紹了獨具特色的兩類產(chǎn)品,包括兼顧三大市場需求的LED驅動器IC和實現(xiàn)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(tài)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(tài)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(xù)提供滿足客戶和社會需求的產(chǎn)品。