CompoTech Asia / 2017.1146

■作者：Star Li/ 恩智浦半導體汽車固態照明應用工程師

Jatin Thaker/ 恩智浦半導體汽車 LED 驅動產品部門經理

採用雷射通道的 LED 頭燈提供廣泛又靈活的解決方案

本文將研究如何利用恩智浦

提供的 ASSL 驅動 IC 來解決這個

問題。該驅動 IC 提供兩個獨立電

看出這種創新結構帶來的改進。

背景介紹自幾年前推出 LED 和雷射

二極體技術以來，汽車頭燈得到

了快速發展。採用雷射通道的

LED 燈具通常配備自適應性車

燈系統 (Adaptive Front Lighting

System；AFS) 功能或矩陣光束

(matrix beams)，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，能擴大照明範圍。採用雷射

通道的 LED 頭燈在歐洲地區獲得

了 BMW、Audi 等主要 OEM 廠商

以及歐司朗 (OSRAM) 等 LED 供

應商的支持，因此發展特別快速。

根據 Driving Vision News 2014 對

頭燈光源市佔率趨勢的預測，自

2020 年開始，LED 和雷射頭燈市

佔率將快速提升，2025 年將達到

大約 18%。

1. 照明控制單元照明控制單元 (Light Control

多相驅動 IC 使頭燈 LCU 設計能夠採用靈活的拓撲結構

隨著全世界不斷尋求更具智慧的汽車照明系統和低功耗，汽車照明成

為了具有創新和改善空間的領域。如今，汽車固態照明 (Automotive Solid State Lighting；ASSL) 系統實施了多組負載，負載包括 LED、OLED、雷射

二極體等，而工程師需要尋找更靈活的平台，進而更有效率地組合這些負載。

採用雷射通道的 LED 頭燈就是一個不錯的應用實例。照明控制單元

(Light Control Unit；LCU) 利用一個升壓電壓來同時驅動雷射通道和晝行燈

(Daytime Running Lights；DRL) 通道。這種方法並不是很有效率，它會引起

雷射通道散熱，因為雷射通道與 DRL 共用同一電壓，導致驅動雷射通道的升

壓電壓高於所需電壓。

圖 1: 頭燈市佔率

壓，可透過 SPI 介面單獨控制。透

過兩個應用實例以及系統級效率與

雷射通道效率之間的比較，很容易

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Unit；LCU) 是雷射 LED 頭燈的關

鍵組合零件，其功能包括基於雷射

的照明、適應性車燈系統 (Adaptive

Front Lighting System；AFS)、動

態水平調整 (dynamic levelling) 或

矩陣型功能。典型應用案例如下方

圖 2 所示。　　

驅動模組通常包含微控制器

(microcontroller；MCU)以及與車身

控制模組 (Body Control Module；

BCM) 通訊的收發器。MCU 透過

SPI 介面控制驅動 IC；從 BCM 或

LCU 發出的命令透過分析攝影機

或感測器發出的訊號來感應交通狀

況。電力電子結構中通常採用兩級

拓撲 (two-stage topology) 結構。

這種結構利用升壓穩壓器和獨立的

降壓通道來驅動 LED 或雷射二極

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

(two-stage topology) 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 ) 保持穩定，同

時仍對每一級的動態負載做出回

應。對於矩陣或全 LED 頭燈設計

而言，這種特性極為重要，因為

採用這兩種設計時，為不同的降

壓通道選擇外部組件可能適得其

反。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，金屬

氧化物半導體場效電晶體 (Metal-

Oxide-Semiconductor Field-Effect

Transistor；MOSFET) 汲源極電壓

(drain-source voltage；VDS) 和

二極體逆向漏電流 (diode reverse

leakage current) 非常重要。但是，

驅動雷射通道的降壓通道的輸出電

流則比較高，大於 1 A，VF 卻比較

低：因此，MOSFET 汲極 - 源極

導通電阻 (drain-source on-state

Resistance；Rdson)、電感直流

電阻 (DC Resistance DCR) 以及

二極體順向電壓 (diode forward

voltages) 則更加重要。很顯然，

單憑一個升壓電壓是很難驅動所有

這些通道的。對於這種解決方案，

可以採用兩個升壓電壓，甚至一個

升壓電壓加一個單端初級電感轉換

器 (single-ended primary-inductor

converter；SEPIC) 電壓 ( 含一

個控制器 IC)。該效益源於強大的

數位調節迴路 (digital regulation

loop)。以下兩種應用案例清楚顯

示了系統效率和雷射通道效率的提

升。

■應用案例 1：讓我們來看看 60

W LCU 的設計範例，它採用了

三組負載：54 V/540 mA DRL、

16 V/0.5 A 霧燈、8 V/2 A 雷射

模塊，如圖 3 所示。

- 解決方案 1：為所有三組降壓設

計 63 V 升壓。使用兩相並聯增

壓來驅動 60W 可簡化金屬氧化

物半導體場效電晶體 (MOSFET)

和電感器的設計過程。

- 解決方案 2：為 DRL 設計一個

63 V boost 1，為霧燈和雷射模

組設計另外一個 35 V boost 2。

在圖 3 所示的解決方案中，

我們使用 ASL2500 作為控制 IC。

ASL2500 包含兩個獨立的內部控

制迴路 ( 圖 4)，分別視為虛擬相位

邏輯 (virtual phase logic)1 和虛擬

相位邏輯 (virtual phase logic)2。

可利用 SPI 對不同的相位分配暫存

器進行編程，以將兩個實體相位升

壓閘驅動器連接到內部虛擬相位，

但不需要使用另外的組件來確定如

何指定。數個升壓閘驅動器可一起

驅動同一個通用輸出電壓，或者驅

動兩個獨立輸出電壓。

從表 1 顯示的評估結果中，

我們可以看出，相較於解決方案

1，解決方案 2 的系統效率提升

了 3%：相當於在 60 W LCU 設計

中節省了 1.8 W 的散熱。考慮到

LCU 的尺寸小巧，對於簡化散熱

圖 2: 典型的 LCU 方案

CompoTech Asia / 2017.1148

設計意義重大。

■應用實例 2：此範例採用了 60

W LCU，它包含三組負載：52

V/320 mA DRL、15 V/0.55 mA

霧燈、8 V/3 A 雷射模組，如圖

4 所示。

- 解決方案 3：為 DRL 52 V/320

mA 和霧燈 15

V/0.55 mA 設

計 63 V 升壓，

為雷射模組 8

V/3 A 設計 9.5 V SEPIC

- 解決方案 1：為所有三組降壓設

計 63 V 升壓。使用兩相並聯增

壓來驅動 60 W 可簡化 MOSFET

和電感器的設計過程。

如果雷射通道輸出電流為 3

A，或者是更高的 6 A，那麼解決

方案 3 也是一個吸引人的選項。

ASL2500 暫存器擁有豐富的迴路

補償參數 (Kp、Ki) 選擇，其頻率

由 SPI 設定，範圍為 125 KHz 至

700 KHz。這表示也可將其配置

成 SEPIC 轉換器，以在某些典

型的負載條件下使用。在本範例

中，SEPIC 轉換器可以驅動雷射

二極體，因為它可以承受高於或

低於其輸出電壓的電池電壓。而

在效率方面，單端初級電感轉換

器 (single-ended primary-inductor

converter；SEPIC) 輸出電壓僅比

8 V 時的負載高出幾伏。在升壓拓

撲結構中，典型的輸出電壓高於電

池的最高電壓：舉例來說，它可設

定為 35 V。這可以最佳化降壓通

道的佔空比，使降壓飛輪二極體

(buck freewheel diode) 的功耗達

到最低。從圖 5 可以看出，Buck

3 的效率因此非常接近於拓撲結構

中使用低側 MOSFET 替代續流二

極管的同步降壓的效率。Buck3 的

運行占空比較高，且飛輪二極體

(freewheel diode)D1 大部分時間

都被關閉。

例如：採用解決方案 1 時，

在 63 V 降壓電壓、3 A 電流下，

如果驅動 2 個 LED，則二極體的

佔空比為 88%

3 A * 0.7 V * 0.88 = 1.89 W

採用解決方案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閘

圖 3: 解決方案 1 和解決方案 2 的示意圖

Vin Iin Vbuck1 Iout1 Vbuck2 Iout2

解決方案 1 12 5.17 53.4 0.537 14.72 0.553

解決方案 2 12 4.98 53.4 0.538 14.72 0.54

表 1：應用案例 1 的測試結果

圖 4:ASL2500 控制邏輯

2017.11/ 電子與電腦 49

極電荷和「導通」電阻的 40 V 甚

至 30 V MOFSET。使用 30 V 蕭

特基障礙整流器 (schottky barrier

圖 5: 解決方案 3 的示意圖

圖 6:buck3 的典型示意圖

輸入電壓 輸入電流 輸出電壓 輸出電流 效率

60 V 0.46 7.71 2.991 0.8355

9.5 V 2.63 7.71 3.011 0.9291

Delta：9.36%

表 3：buck 3 的效率提升狀況

部件Boost 作為第一級 SEPIC 作為第一級 備註

M1 80 mΩ/80 V,9.9 nC 40 mΩ/40 V,4.5 nC Rdson 和閘極電荷減少

D1 4 A/80 V 5 A/30 V VF 和逆向洩漏電流都降低

L1 68 uH 10 uH DCR 和交流損耗都減少

12 mm*12 mm*10 mm 7.3 mm*6.8 mm*3 mm 電感器的尺寸僅為解決方

案 1 的 35%

表 2：buck 3 中的組件變更

rectifier),，VF 和逆向洩漏電流都

會低於其 60 V或 100 V的對應物。

對於降壓電感器，交流和直流損耗

會減少。此外，buck 3 的成本和

尺寸會盡可能縮減。

如果我們更加仔細地研究

buck 3，就能發現組件級發生變化

時會出現什麼情況。圖 6 顯示的

是 buck 3 的典型示意圖，表 2 則

總結了組件級發生變化的結果，

特別是在 SEPIC 作為第一級時，

Rdson、閘極電荷 (gate charge)、

VF、 逆 向 洩 漏 電 流 (reverse

leakage current)、DCR 和交流損

耗都會減少。這清楚地表明該解決

方案的效率有所提升。事實上，下

方表 3 顯示了 60 V 輸入電壓與 9.5

V 輸入電壓相比較而言，buck 3 的

效率提升狀況。表 3 中的結果是在

只有 buck3 運作時測得，表 4 中

的結果是在第一級和所有降壓都運

作時測得。

在系統效率比較表 4 中，解

決方案 1 現正驅動 buck 3 中的 3

A 負載。相較於如先前在應用實例

1 中所看到 buck 3 中的驅動 2 A，

可看出效率降低約 3%。這表明，

對於應用實例 2 中的 3 A 雷射通道

範例而言，典型的單個升壓電壓並

不是最好的選擇。從整個系統的角

度來看，解決方案 3 提供的效率為

1.65%。

總結在本文一開始，我們探討了

汽車頭燈正在逐步發展為配有雷射

功能或矩陣光束的 LED 燈。發生

這種轉變有三層原因：節能、無眩

光、擴大照明範圍。如本文中所

述，恩智浦的 LED 驅動器結合了

CompoTech Asia / 2017.1150

對 LCU 設計和 IC 知識的深厚瞭解

與世界一流的汽車 A-BCD 混合信

號 HV 技術。要開發能夠有效率組

合負載並實現 LED 照明的靈活平

台，這一點非常關鍵。

( 有 關 更 多 資 訊， 請 瀏 覽

恩 智 浦 網 站 http://www.nxp.

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聯繫作者 :

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是恩智浦

半導體汽

車 LED 驅 動 產

品部門經理，如對本文有相關問

題或意見可以與他交流。聯繫方

式 :jatin.thaker@nxp.com

Vin Iin Vbuck1 Iout1V buck2 Iout2 Vbuck3 Iout3 效率

解決方案 1 12 5.14 52 0.324 14.73 0.547 7.86 3.08 0.7963

解決方案 3 12 4.90 52.3 0.316 14.75 0.545 7.92 3.01 0.8128

Delta 1.65%

表 4：應用案例 2 的測試結果

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