設計散熱更佳的多通道動態車燈

汽車領域對電氣化的推動讓各種具有獨特功能的汽車不斷出現在人們的視野中，而且其增長速度令人驚異。過去笨拙且功能單一的車燈也正在被新穎的、環繞汽車前部、后部或側面的細長型設計所取代。不斷超越傳統的照明或信號傳遞意味著未來車燈的設計將面臨更多的挑戰，例如顯示復雜的模式和算法，與此同時還要應對散熱管理、外形尺寸和成本方面前所未有的限制。

自適應前照燈就是其中一項新設計。這種燈也稱矩陣大燈，它用大量 LED 矩陣代替了以前的燈泡，可以明顯改善散熱并增強光束控制。其矩陣中的每個 LED 都可獨立控制，因此燈光設計可以更加新穎、更加吸引人，同時它還能夠改善駕駛員的視野并根據環境來調整光束。通過關閉不必要的照明元件并保持其余部分完全點亮，前照燈可以只照亮駕駛員需要看到的地方，而不會分散其他道路使用者的注意力。

本文將介紹電氣工程師在設計這些新型照明產品時所面臨的挑戰。文章將側重于說明如何正確選擇用于多光束前照燈的 LED 驅動器，并闡述自適應反饋控制 (AFC) 對散熱管理的改善。我們將通過一個多光束前照燈的設計對這些問題進行解釋，從上層的系統概述，直到 LED 驅動器的選擇。

矩陣前照燈

多光束前照燈主要包含三個組件：LED、LED 驅動器和預穩壓器（降壓變換器）

首先，LED 矩陣可以照亮道路布局。由于 PCB 尺寸的規格與散熱限制，本文采用的系統包含了3 行、 30 列的 84 個 LED。其次，為了適應環境光線，系統中的 LED 必須由 LED 驅動器進行控制；在本例中，我們采用了 MPQ7225-AEC1 。最后，由于所有前照燈組件均由汽車電池供電，因此系統采用預穩壓器來降低汽車電池的電壓，使電壓符合 LED 和 LED 驅動器的規格。

選擇LED驅動器

在前照燈的設計過程中，設計人員會面臨兩項主要限制：PCB 尺寸和散熱。首先，PCB 必須盡可能地小才能裝入前照燈外殼中，這意味著最大限度減少元件數量非常重要。其次，照明設計必須認真考慮應用的散熱問題，以避免器件過熱并損壞組件。因此，必須根據系統規范謹慎選擇 LED 驅動器。

Bec本文的示例系統需要出色的可擴展性，同時需要每器件提供大量通道，因此我們選擇MPQ7225-AEC1作為LED 驅動器。該驅動器不僅減少了元件數量，還縮小了 PCB 尺寸，同時仍具備 LED 的可控性。具體而言，該設計采用了6個 MPQ7225-AEC1 器件，每個器件都可提供多達14 個通道（見圖 2）。MPQ7225-AEC1是一款16 通道 LED 驅動器，它可以單獨控制多達 96 個 LED，當然本設計并不需要如此多的通道。

圖2: LED 矩陣PCB

除了 LED 驅動器的可擴展性之外，亮度也是照明部件設計的一個重要參數。對多光束技術而言，每通道都需要有足夠的電流，而且通道之間的串間差異必須有所限制，這樣才能避免 PCB 上的某些部件過熱。MPQ7225-AEC1 是此類應用的理想 LED 驅動器。它允許的每通道 LED 電流 (ILED) 高達 200mA，而且全溫范圍內的精度可達 5%。本設計用于提供前照燈的遠光燈，因此每通道的標稱電流設置為 200mA。

可配置的電流將有助于管理照明電路板的溫度。當電路板溫度升至最大值時，LED 驅動器必須利用調光技術來降低 LED 電流，從而降低板的溫度。MPQ7225-AEC1 提供兩種不同的調光技術：PWM 調光和模擬調光，均可獨立應用于每個通道。

圖 3 顯示了如何將 PWM 調光應用于 2 個不同的通道。通道1的PWM 調光占空比為50%，通道 2 的PWM 調光占空比為25%。示波器捕獲通過這兩個通道的電流，以及通道之間 PWM 調光的差異。 PWM 調光頻率設置為 500Hz。MPQ7225-AEC1 提供配置功能，該值還可設置為 250Hz 或 1kHz。

圖 3：通道1的PWM 調光占空比為50%，通道 2 的PWM 調光占空比為25%

預穩壓器自適應反饋控制 (AFC)

除調光以外，照明設計中的部分 LED 驅動器還采用其他技術進行散熱管理。例如，MPQ7225-AEC1 提供自適應反饋控制 (AFC)功能，它可以根據裕量值調整 DC/DC 變換器的輸出電壓 (VOUT)。這優化了整體系統效率與溫度。

圖 4 顯示了MPQ7225-AEC1 中AFC的實現。它檢測每個通道中的電壓，如果任何一個LED的輸出電壓低于 0.3V，則降壓變換器的 VOUT 增大；當電壓超過 0.4V，預穩壓器的 VOUT將降低。

圖4: AFC功能

由于 LED 的正向電壓隨溫度降低，所以較高溫度下的裕量電壓也會增加，這會降低系統效率并讓散熱變糟。但啟用 AFC 功能后，預穩壓器的 VOUT 會在溫度升高時降低，從而優化效率和整個系統的行為。 采用 MPQ7225-AEC1 并啟用 AFC功能，設計人員將可以改善照明設計中的散熱問題（見圖 5）。

圖 5：LED 特性與裕量電壓之間的關系

F圖 6 顯示了啟用 AFC功能與否的散熱差異。如果 VBIAS 為非固定值，它會根據裕量電壓而變化；LED 驅動器溫度則下降 34°C (當 ILED = 200mA時）。

圖 6：不啟用 AFC（左）和啟用 AFC（右）時的散熱性能比較

其他設計考量

對汽車行業來說，遵循EMC標準進行設計非常重要。因此，我們建議選擇具備 EMI降低功能的 LED 驅動器。MPQ7225-AEC1 即具有三種 EMI 降低方案，本設計采用了其中的兩種方案。

首先，通過我們選擇的 LED 驅動器，設計人員能夠在應用 PWM 調光時改變電流脈沖的斜率。在本設計中，MPQ7225-AEC1 被配置為具有20μs強制斜率。圖 7 顯示了該斜率如何通過平滑轉換和減少尖峰來影響直線電流轉換。示波器的通道 1 和通道 2 捕獲具有不同 PWM 調光占空比的兩個不同通道。 第一個脈沖表明，當沒有施加斜率時，脈沖中間出現一個尖峰；但當斜率配置為 20μs 時，沒有尖峰出現。

圖 7：大斜率與 20μs 斜率間的比較

其次，設計人員可以添加內部時鐘的頻譜擴展功能。當設計提供該功能時，內部時鐘頻率（及其諧波）周圍的 EMI 噪聲將降低。

最后，LED 矩陣應具有強大的管理功能，以在行駛期間迅速、精準地適應燈光設計。這就需要外部控制器與LED 驅動器之間具備快速而可靠的通信。此外，控制器板（做出決策之處）和 LED 板之間可能距離較遠，外部噪聲有可能破壞通信。在這種情況之下，協議必須不受噪聲影響。考慮到這一點，我們建議采用差分接口，例如 CAN。MPQ7225-AEC1兼容 2Mbps CAN 差分接口，因此仍是一個理想的選擇。

通過該通信協議控制 LED 驅動器，以在不更改硬件設計的情況下配置 LED 矩陣最重要的設置（例如 LED 亮度和燈光設計）也非常重要，因此它可以減小 BOM 和 PCB 尺寸。本文選擇的 LED 驅動器具有帶大量寄存器映射的數字接口。用戶可關閉 LED，修改其亮度，并監測運行期間可能發生的故障。

結語

多光束技術是汽車行業的一項重大進步，它可以使遠光燈適應道路布局和環境，額外的照明能讓駕駛員即使在能見度低的情況下也感覺到安全。 然而，多光束技術的照明設計也極具挑戰性，但選擇理想的 LED 驅動器將能夠應對這些挑戰。本文建議的 MPQ7225-AEC1 具有出色的可擴展性、EMI 降低技術和強大的通信功能。另外，在設計多光束系統時，散熱也是重中之重，因此還建議引入 AFC 和調光等相關技術。

審核編輯：彭菁