ROHM的汽车照明解决方案

1、前言

汽车技术正在经历重大变革。比如,电子元器件成就了自动驾驶技术所需的安全功能和感应功能,这是众所周知的事实。

以前照灯和尾灯为代表的汽车外灯,也由传统的灯泡型外灯发展为LED(Light Emitting Diode,发光二极管)灯,光源技术正在取得长足进展。近年来,不仅让LED发挥照明的功用,通过控制LED灯光来提高安全性的产品也在日益普及。此外,两轮机动车的技术和产品更新也是日新月异,并且与汽车一样对品质的要求非常高。

在这种背景下,ROHM正在开发车载领域用的小型高可靠性LED以及控制LED灯亮必不可少的LED驱动器IC,并提供适用于汽车照明的解决方案。在本文中,将介绍ROHM拥有的相关特色技术和产品。

2、LED驱动器IC的市场需求

2-1. 市场对LED灯的需求

外灯由灯泡型发展为LED灯,使得光源可以变得更小、更薄,越来越多的制造商致力于开发具有出色设计灵活性的LED灯。

要想提高LED灯的设计灵活性,就需要提高LED的输出功率,降低驱动LED的控制电路的功耗并实现小型化。另外,延长使用寿命也非常必要。灯泡型外灯是以“达到一定寿命后可能会断线并需要更换”为设计前提的;而LED灯通常是LED和控制电路一体化的模块型产品,因此更换起来并不容易,故以“不会损坏”为设计前提,因此要求从元器件级别就必须确保可靠性。

对降低成本的要求也不容忽视。例如,在以两轮机动车为主要出行工具的东盟(ASEAN)和印度,两轮机动车的售价非常低廉。因此对每个模块的成本要求也非常严格,即使是LED灯也毫无例外。

2-2. 电阻电路和LED驱动器IC电路的区别

迄今为止,由于成本方面的优势,控制LED用的电路主要采用通过电阻来控制电流的电阻电路。由于电阻电路可以以类似于以往的灯泡型外灯同样简单的构造来使LED灯亮,因此成本很低。但是,存在诸如电路的热损耗导致的效率下降、以及无法检测出LED故障之类的问题。

而使用了近年来备受瞩目的LED驱动器IC的电路(以下称“LED驱动器IC电路”),具有可实现更低功耗、可通过内置的保护功能检测LED故障以确保可靠性等优势,但存在部件成本增加的问题。

下面具体说明它们之间的差异。

①功耗方面

当作为驱动电路电源输入的电池电压上升时,电阻电路和LED驱动器IC电路所控制的LED电流特性大不相同。电阻电路的情况下,LED电流会随着电池电压的上升而增加。而LED驱动器IC电路的情况下,即使电池电压上升,也可以按照预先设置的电流值执行恒流驱动。例如,以电池电压13V时的电流值为例,与电阻电路相比,LED驱动器IC电路的功耗可减少50%。由此可见,LED驱动器IC电路在低功耗方面更具优势。(图1)

图1. 功耗方面的特性比较

②可靠性方面

在可靠性方面,LED驱动器IC电路也更具优势。这是因为实际安装的部件数量较少,故控制电路板中的部件故障可能性也更低。而且,针对LED灯的开路和短路故障,LED驱动器IC可以检测出LED的异常并输出异常信号以通知外部。这样可以尽早发现LED问题导致的LED灯亮度降低等不安全状态,并可以尽早采取对策。

③成本方面

在成本方面电阻电路更具优势。例如,在图1中,假设驱动9个(3列LED×3段串联,约150mA/列)LED,此时,电阻电路中至少需要10枚1W的电阻器,而LED驱动器IC电路仅需要约4枚IC(具体数量因封装而异)。电阻电路看似部件数量较多,成本也较高,但可以通过使用多个比IC便宜得多的大功率电阻器来降低成本。而在LED驱动器IC电路中,需要控制灯亮的LED越多,所需的IC也就越多,与电阻电路相比,成本反而增加。

综上所述,以往的电阻电路和LED驱动器IC电路都只能满足市场要求的“低功耗”、“高可靠性”、“低成本”中的一部分需求。未来要想进一步普及LED灯,就需要针对这三项需求开发出三者兼顾的LED驱动器IC。

3. ROHM的新LED驱动器IC

ROHM不仅可以提供里程表指示灯光源用的LED驱动器IC、CID(Center Information Display)和液晶仪表面板白色背光用的LED驱动器IC,还可以提供用于前照灯和尾灯的LED驱动器IC,拥有众多控制汽车和两轮机动车中使用的各种LED的技术与产品。

针对前述的市场最新需求,ROHM确立了一种新的控制方式“Energy Sharing”,可将功耗从LED驱动器IC内部分散到外部电阻,并开发出采用这种控制方式的MOSFET内置型4通道线性LED驱动器IC“BD183x7EFV-M”(BD18337EFV-M / BD18347EFV-M),适用于两轮/四轮机动车中应用日益普及的LED灯(刹车灯、后尾灯、雾灯、转向灯等)。

下面介绍一下“Energy Sharing”控制方式。

3-1. 降低LED驱动器IC功耗时面临的课题

首先,在图2中给出了普通LED驱动器IC的电路结构及其特性示意图。在LED驱动器IC内部有为LED提供电流的恒流电路,在IC的输入端连接电池电源,在IC的输出端连接LED。当与电池电源的输入电压相连接的电源A上升到一定程度时,LED驱动器IC内部的恒流电路可以恒定地输出LED电流。因此,输出引脚的电压等同于所连接LED的正向电压特性,是恒定的。

LED驱动器IC的功耗为恒流电路输入输出间电压差与LED电流的积,因此功耗随着电池输入电压的上升而增加。可见,要想降低LED驱动器IC的功耗,就需要降低恒流电路的输入输出间电压差或LED电流。由于LED电流是根据客户要求决定的,很难变更,所以ROHM开发出一种控制恒流电路的输入输出间电压的方式。

图2. 普通LED驱动器IC的电路结构及其特性

3-2. 通过降低IC功耗来降低成本的“Energy Sharing”控制方式

接下来,图3中给出了ROHM开发的新控制方式“Energy Sharing”的电路结构,该控制方式通过降低LED驱动器IC的功耗实现了更低成本。通过使部分LED电流分流至驱动器IC外部的电阻R,来控制恒流电路的输入输出间电压,并抑制LED驱动器IC的发热量。通过新增的模块来监控输出引脚电压,将电源A的电压控制为恒定电压。流过电阻器的电流由电阻两端产生的电池电压和电源A电压的电压差(电池电压-电源A电压)、以及外置电阻R来表示。通过使电阻电流随着电池电压的增加而增加,来将电源A电压控制为恒定电压。利用这种控制方式,可使以往LED驱动器IC本身消耗的功率大部分由外置电阻R消耗,从而使LED驱动器IC的功耗比以往降低约75%。这样,这种由LED驱动器IC和外置电阻R分别分担功耗的结构,使以往由4枚IC实现的功率仅由1枚IC和大功率电阻即可实现。

图3. ROHM的LED驱动器IC电路结构及其特性

搭载LED驱动器IC新产品的电路成本虽略高于电阻电路,但与以往的LED驱动器IC电路相比,成本可降低40%左右。 除“低功耗”和“高可靠性”之外,通过与外置电阻相结合的方式,还可以实现电阻电路的“低成本”。ROHM仅通过在以往LED驱动器IC的输入引脚端增加1个引脚,即可实现该功能。此外,还支持两轮机动车特有的开/关灯模式,大部分必要功能仅由IC即可满足。

4、适用于汽车的ROHM LED

最后介绍一下ROHM的车载级LED产品。

ROHM自1973年开始生产炮弹型LED以来,在产品开发方面,已经连续45年处于行业领先地位。ROHM的最大优势在于,能够进行全面而严格的品质管理并利用垂直统合型生产体制(从元件制造阶段开始就严格贯彻产品理念)进行独有的产品开发。另外,能够提供高品质产品也是ROHM的优势之一。例如,ROHM采用了在装配工序易于制造的芯片设计,对超小型产品实施可追溯管理,按照车载级产品的品质要求进行流程管理等一系列确保高品质的手段。

4-1. 仪表盘指示灯光源用LED

近年来,越来越多的仪表盘指示灯光源开始采用小型LED。但是,为了适应汽车严苛的温度环境,一般会设置一个空间来避免遮光壁和PCB板接触,LED的光线从这个空间向相邻部位“漏光”一直是亟需解决的课题。另外,随着LED在各个领域的应用越来越广泛,尤其是在使用环境严苛的汽车领域,需要的是对于环境应力导致的经年老化已经采取对策、并具有高度可靠性的产品。

在这种背景下,ROHM面向可能在严苛环境下使用的汽车仪表盘指示灯光源,开发出小型、高输出的透镜型表面贴装LED“CSL0901/0902系列”。将光源的位置提高到0.49mm,解决了漏光问题。这使得小型LED能够得以采用,与以往的反射式LED相比,体积仅为1/18,从而有助于节省应用的空间。另外,通过采用ROHM新开发的模塑树脂,使得即使是短波长高亮度产品,也成功改善了高温通电时的光衰问题。比如在蓝色LED的高温通电加速度试验(Ta=85℃、IF=20mA、通电1000Hr)中,与以往产品相比,光通量改善了约80%。不仅如此,还提高了抗硫化性能,以防止车载应用中的经年老化原因之一----硫化问题。

4-2. 车内照明光源用LED

随着目标应用的多功能化,包括仪表盘在内的车内设备中,对于照亮图标显示、汽车导航等所有面板的照明光源用LED的小型化要求也越来越高。

针对这种市场需求,ROHM通过改善封装形状、反射器材质、元件及表面镀层等,来推进小型高亮度LED的开发。此外还通过精细调整元件和荧光体,显著改善了色度的不均衡问题。通过这些努力,ROHM实现了虽为1608尺寸的小型封装却具有与以往大型封装同等亮度的产品。

图4. 车外照明光源LED的发展趋势

4-3. 车外照明光源用LED

从设计灵活性的角度来看,车外照明光源中不仅要求LED的小型化和薄型化,为了减少搭载数量,对大功率LED的需求也逐年增加。另外,汽车用刹车灯等通常会在恶劣的环境下使用,为了确保可靠性,必须采取抗硫化措施。因此,ROHM目前正在推进开发既能保持高亮度又具有出色的抗硫化性能的大功率LED产品。这些产品与前述的LED驱动器IC相结合,有望实现适用于车外灯的性能。

5.未来发展方向

一直以来,ROHM始终坚持“品质第一”的企业宗旨,开发适用于汽车照明的先进产品。本文从ROHM丰富的产品阵容中,选取并介绍了独具特色的两类产品,包括兼顾三大市场需求的LED驱动器IC和实现了小型高可靠性的LED。

未来,随着自动驾驶的普及,汽车照明不仅仅担负着夜间照亮前方和刹车时提醒后方的作用,还有可能承担起向外部通知车辆状态等信息的作用。因此,LED需要提高输出功率,而LED驱动器IC需要能够支持动态控制光源并将信息传递给外部的控制方式。ROHM希望通过迅速捕捉这些市场变化,继续提供满足客户和社会需求的产品。