驾驶员监控系统需要新型红外LED驱动器

红外摄像头是汽车驾驶员监控系统的关键。典型的电源管理解决方案基于异步降压 IR-LED 控制器，该控制器驱动外部 MOSFET，并具有无法达到必要效率和紧凑度水平的再循环二极管。另一方面，高度集成的同步降压 IR-LED 驱动器以较小的 BOM 实现了最小散热的目标，从而实现了运行不会过热的紧凑型解决方案。

介绍

驾驶员监控系统（DMS）在现代汽车中变得越来越普遍。红外 （IR） 摄像头将 IR-LED 与光传感器结合使用，有助于识别可能影响驾驶者的危险微睡眠。DMS也是推动自动驾驶汽车（AV）驾驶发展的一项使能技术。在驾驶员需要从汽车手中夺回控制权的情况下，监控系统将为驾驶员提供足够的反应时间。

所有这些功能及其相关电子设备必须无缝安装在车内，这就产生了对灵活、小巧和高效解决方案的需求。他们还必须能够应对恶劣的汽车电气环境。在本设计解决方案中，我们将回顾红外热像仪系统，并讨论典型解决方案的缺点。随后，我们展示了一种IR-LED驱动器IC，该IC灵活，紧凑且高效，同时直接连接到汽车电池。

红外优势

红外光的一些关键优点是人眼不可见以及日夜工作的能力。除 DMS 外，红外摄像机还可以在黑暗中、大多数雾条件下检测和分类行人，并且不受太阳眩光的影响，从而提供改进的态势感知，从而提供更强大、可靠和安全的 ADAS 和 AV 解决方案。其他ADAS应用包括座椅占用识别、夜视系统、周围环境的短距离检测以及监控驾驶员的盲点。

红外摄像机

图2显示了红外热像仪的主要元件。红外 LED 照亮目标。反射光由图像传感器（CCD或CMOS光电二极管）收集并由视觉处理器处理，以确定对手头情况的响应。

图2.用于 DMS 的红外 LED 摄像头。

用于 DMS 的降压 LED 驱动器

LED驱动器控制红外光强度，并以正确的频率和占空比频闪。理想情况下，它必须直接使用12V电池工作，并应对恶劣的汽车环境。

采用启动/停止技术的车辆在发动机启动时会遇到较大的电池电压骤降，导致电池电压下降到远低于典型 12V 的水平。从寒冷条件（冷启动）开始，电池可以低至4.5V。在运行期间断开电池与交流发电机的连接会导致高达 60V 的大电压瞬变（转储）。

由于外部和内部来源，汽车环境也会受到电磁干扰（EMI）的影响。来自点火组件、电机和类似脉冲型系统的“电弧和火花”噪声通过产生破坏性欠压或过电压来影响电源电压轨。IR-LED降压转换器具有快速开关波形，应该能够减轻对这种嘈杂环境的任何影响。

考虑到 IR-LED 二极管的典型正向电压为 2.4V，正向电流为 1A，设计良好的降压 LED 驱动器具有足够的裕量，可以直接连接到电池，而无需升压。它还必须承受倾倒电压并引入最小的电磁噪声。

典型的高功率降压红外 LED 驱动器解决方案

典型的降压红外-LED驱动器解决方案如图3所示。它利用一个n沟道晶体管（典型值为RDS（ON）= 0.3O），以及依赖于肖特基二极管D进行电流再循环的异步架构。后者是执行效率低下的明确迹象。

图3.典型的异步降压红外LED驱动器。

考虑典型的汽车案例，其中输入电压是汽车的12V电池，输出是IR-LED二极管的正向电压（1A时为2.4V）。这里的降压转换器占空比仅为20%。这意味着图3中的MOSFET仅导通20%的时间（1A = 0.3W时为0.3Ω），而肖特基（1A = 0.5W时为0.5V）导通时间为80%。动力传动系的总功耗为0.46W，主要是由于肖特基二极管。在考虑开关和其他损耗后，该解决方案的效率勉强达到80%。

一体化同步整流解决方案

例如，MAX20050同步降压LED驱动器是理想的解决方案（图4）。该器件包括一种独特的扩频模式，可降低开关频率及其谐波处的 EMI。凭借其 4.5V 至 65V 输入电源范围，该 IC 可在启动/停止条件和冷启动条件下轻松工作。它可以承受电池负载突降，使其成为将 IR-LED 驱动器直接连接到汽车电池的前端降压转换器的理想选择。

图4.红外 LED 驱动器集成同步解决方案。

高效率

完全同步的2A降压型转换器集成了两个低R值DS（ON）0.14Ω （典型值） n 沟道 MOSFET，确保最小的欧姆损耗。这里，0.14Ω RDS（ON）电阻将产生仅140mW的损耗，是前一种情况的三分之一。该解决方案可以轻松实现高效率。在图5中，同步解决方案在2.1MHz时实现了86%的峰值效率，在400kHz时实现了92%的峰值效率！将频率提高到2.1MHz可以减小BOM尺寸，但效率会降低几个百分点，同时避免AM频段内的干扰。

图5.效率与尺寸权衡。

体积小

该解决方案的高集成度可最大限度地减少PCB面积占用。图6所示为需要外部肖特基二极管的异步降压转换器IC，其占用的PCB面积几乎是单芯片解决方案的两倍（+78%）。

图6.异步与同步降压IC的尺寸比较

灵活性

为了获得最大的灵活性，IR-LED驱动器系列（表1）提供两种工作频率，以解决效率与尺寸的权衡问题，并为动态响应优化提供内部与外部环路补偿。

表 1.红外发光二极管驱动器系列

 

红外指示灯驱动器	切换频率	环路补偿
MAX20050	400千赫	内部
MAX20051	400千赫	外部
MAX20052	2.1兆赫	内部
MAX20053	2.1兆赫	外部

 

这些器件的额定工作温度范围为-40°C至+125°C，采用耐热性能增强型12引脚（3mm x 3mm）TDFN和14引脚（5mm x 4.4mm）TSSOP封装，带裸焊盘。

如需更高的功率，可以使用MAX20078同步降压LED控制器。对于更高电压的应用，MAX20090高压、高亮度LED控制器是绝佳的选择。

结论

驾驶员监控系统在现代汽车中出现的频率越来越高。它们必须无缝地融入汽车电子系统，这就需要灵活、小巧和高效的解决方案。他们还必须应对恶劣的汽车环境。我们回顾了红外热像仪系统，并讨论了典型解决方案的缺点。最后，我们展示了一种IR-LED驱动器IC，该IC灵活、紧凑、高效、具有低EMI，并可直接连接到汽车电池。

审核编辑：郭婷