ROHM的汽車照明解決方案

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故障以確保可靠性等優勢,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)

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。可見,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。

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。

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。

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,為了確保可靠性,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。