低温動作するマルチチャネルの動的車載照明を設計する
はじめに
自動車産業全体で電動化が進み、魅力的な車両が急増しています。従来の大きな単一機能のライトは、車のフロント、リア、サイドを包み込む新しいスリムなデザインに置き換えられています。従来の証明や信号伝達を超えようとする動きは、熱管理、フォームファクタ、およびコストの前例のない制約に直面すると同時に、未来の車載照明には洗練されたパターンとアルゴリズムが求められることを意味します。
これらの新製品の例が、マトリクス・ヘッドライトとも呼ばれるアダプティブ・ヘッドライトです。これらのヘッドランプは、多数のLEDのマトリクスを使用して古い電球を置き換え、熱を改善し、光線制御を向上させます。このマトリクスの各LEDは個別に制御され、運転手の視認性を向上させ、環境に合わせて光線を調整する革新的で魅力的な照明デザインを作り出します。不要な照明要素をオフにして、残りの領域を完全に照らすことにより、ヘッドランプは、他の道路利用者の気を散らさずに、運転手が見たいものを照らすことができます。
本稿では、これらの新しいライティング製品を設計する際に技術者が直面する課題について説明します。マルチビーム・ヘッドライト用の適切なLEDドライバの選択に重点をおき、アダプティブ・フィードバック制御 (AFC) が熱管理をどのように向上するかを確認します。これらの話題を、システムの概要からLEDドライバの選択まで、マルチビーム・ヘッドライトの設計を通じて説明します。
マトリクス・ヘッドランプ
マルチビーム・ヘッドライトには、次の3つの主要部品が含まれています: LED、LEDドライバ、およびプリレギュレータ (降圧コンバータ) (図1参照)。
図1: マトリックス・ヘッドランプ
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まず、LEDのマトリクスが道路のレイアウトを照らします。PCBサイズの仕様と熱的制約により、本稿のシステムには、3行30列に分散された84個のLEDがあります。次に、環境に合わせて光を調整するには、システム内のLEDをLEDドライバで制御する必要があります。この例では、6つのMPQ7225-AEC1デバイスを使用しました。最後に、すべてのヘッドライト部品は車のバッテリから給電されるため、システムには車のバッテリから電圧を降圧するためのプリレギュレータを組み込んで、電圧がLEDおよびLEDドライバの仕様に適合するようにします。
LEDドライバの選択
ヘッドライトの設計中に、設計者が直面する主な制約が2つあります。PCBサイズと熱です。PCBは、ヘッドランプケースに収まるようにできるだけ小さくする必要があります。つまり、部品数を最小限に抑えることが重要です。さらに、ライティング設計では、部品の過熱や損傷を避けるために、アプリケーションの熱を慎重に考慮する必要があります。これらの制約を考慮して、システム仕様に合わせてLEDドライバを慎重に選択する必要があります。
本稿で例として使用するシステムでは、すぐれたスケーラビリティと部品あたり多数のチャネルを必要とすることから、MPQ7225-AEC1が選択されました。このLEDドライバは、LEDの制御性を損なうことなく、部品数とPCBスペースを削減します。具体的には、設計で6つのMPQ7225-AEC1デバイスを使用して、部品ごとに合計14チャネルを使用します (図2参照)。MPQ7225-AEC1は16チャネルのLEDドライバであるため、最大96個のLEDを個別に制御できますが、この設計ではこの量は必要ありません。
図2: LEDマトリクスPCB
LEDドライバのスケーラビリティに加えて、明るさはライティング部品を設計する際の重要なパラメータです。マルチビーム技術の場合、PCBの特定部分の過熱を避けるために、チャネルごとに十分な電流を確保し、チャネル間のストリングごとの差を制限することが重要です。MPQ7225-AEC1は、チャネルごとに最大200mAのLED電流 (ILED) を可能にし、温度範囲全体で5%の精度をもつため、このようなアプリケーション用のすぐれたLEDドライバです。この設計はヘッドライトのハイビームを目的としているため、1チャネルあたりの公称電流は200mAに設定されました。
設定可能な電流は、ライティングボードの温度管理にも役立ちます。ボードの温度が最大値まで上昇すると、LEDドライバは調光技術を適用してLED電流を減らし、副産物としてその温度を下げる必要があります。MPQ7225-AEC1には、2つの異なる調光技術が含まれています: 各チャネルに個別に適用できるPWM調光とアナログ調光です。
図3は、PWM調光が2つの異なるチャネルにどのように適用されるかを示しています。最初のチャネルでは、PWM調光は50%で、チャネル2ではPWM調光が25%です。オシロスコープは、これら2つのチャネルを通過する電流と、チャネル間のPWM調光の違いを捕らえています。PWM調光周波数は500Hzに設定されていますが、設定可能なMPQ7225-AEC1を介して、この値を250Hzまたは1kHzに設定することもできます。
図3: PWM調光50%のCH1、PWM調光25%のCH2
プリレギュレータのアダプティブ・フィードバック制御 (AFC)
一部のLEDドライバは、調光だけでなく、ライティング設計における熱管理のために他の技術を実装しています。たとえば、MPQ7225-AEC1はアダプティブ・フィードバック制御を備え、ヘッドルーム値に基づくDC/DCコンバータの出力電圧 (VOUT) を調整します。これにより、システム全体の効率と温度が最適化されます。
図4は、AFCがMPQ7225-AEC1にどのように実装されているかを示しています。各チャネルの電圧が検出され、いずれかの LED出力が0.3Vを下回ると、降圧コンバータのVOUT増加します。電圧が0.4Vを超えると、プリレギュレータのVOUTが減少します。
図4: AFCの特徴
LEDの順方向電圧は温度とともに低下するため、温度が高くなるとヘッドルーム電圧が増加し、システム効率が低下して熱が悪化します。AFC機能が有効な場合、プリレギュレータのVOUT温度が高くなると温度が下がり、効率とシステム全体の動作が最適化されます。MPQ7225-AEC1を使用してAFCを有効にすることで、設計者は照明設計の熱を改善できます (図5参照)。
図5: LED特性とヘッドルーム電圧の関係
図6にAFC適用時の温度差を示します。VBIASが固定ではない場合、ヘッドルーム電圧によって変化し、LEDドライバの温度は34°C低下します。 (ILED = 200mAの場合)。
図6: AFCなし (左) とAFCあり (右) の熱性能
その他の考慮事項
車載分野では、EMC制約に従って設計を行うことが重要です。このため、EMIを低減するオプションを提供するLEDドライバを選択することをお勧めします。MPQ7225-AEC1は3つのEMI削減方式を備えており、ここで紹介した設計では、これらの方式のうちの2つを利用しています。
まず、選択したLEDドライバを使用して、設計者はPWM調光が適用されたときに電流パルスのスルーレートを変更できます。MPSの設計では、MPQ7225-AEC1は20μsのスルーレートを強制的に設定しました。図7は、このスルーレートが、遷移を滑らかにしてスパイクを減らすことで、直線的な電流遷移にどのように影響するかを示しています。オシロスコープのチャネル1とチャネル2は、異なるPWM調光デューティサイクルを持つ2つの異なるチャネルを捕らえています。最初のパルスは、スルーレートが適用されていない場合、パルスの中央にスパイクがあることを示しています。ただし、スルーレートが20μsに設定されている場合、スパイクは発生しません。
図7: 重いスルーレートとスルーレート20μsの比較
次に、設計者は内部クロックのスペクトラム拡散を追加できます。これを設計に実装すると、内部クロック周波数 (およびその高調波) 周辺のEMIノイズが減少しました。
最後に、LEDマトリクスは、運転中に照明設計に迅速かつ正確に適応するための堅牢な管理を備えている必要があります。そのためには、外部コントローラとLEDドライバ間の高速で信頼性の高い通信が必要です。さらに、コントローラボード (決定が行われる場所) とLEDボードが互いに近くにない場合があるため、外部ノイズによって通信が乱れる可能性があります。これは、このシナリオのプロトコルでもノイズの影響を受けないようにする必要があるということです。それを考慮に入れると、CANなどの差動インタフェースが推奨されます。MPQ7225-AEC1は、2MbpsのCANと互換性のある差動インタフェースをサポートしているため、依然として優れた選択肢です。
ハードウェア設計を変更せずに、この通信プロトコルを介してLEDドライバを制御し、LEDマトリクスの最も重要な設定 (LEDの輝度や照明の設計など) を構成することも重要です。これにより、BOMとPCBサイズを削減できます。選択したLEDドライバは、広範なレジスタマップを備えたデジタル・インタフェースを備えています。ユーザーは、LEDをオフにし、明るさを変更して、動作中に発生する可能性のある障害をモニタできます。
結論
マルチビーム技術は、自動車部門にとって重要な進歩です。ハイビームを道路のレイアウトと環境に適応させることで、追加の照明により、運転手は視界の悪い状況でもより安全に感じることができます。ただし、マルチビーム技術の照明設計には、最適なLEDドライバを選択することで緩和できるいくつかの課題があります。本稿では、MPQ7225-AEC1が、すぐれたスケーラビリティ、EMI低減技術、および堅牢な通信オプションにより選択されました。マルチビーム・システムを設計する場合、熱は優先度が高いため、AFCや調光などの手法を導入することをお勧めします。
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