LED矩陣管理器賦能高密度汽車智能安全前照燈系統(tǒng)

簡(jiǎn)介

得益于人們對(duì)安全性以及專業(yè)品牌形象的追求，智能前照燈系統(tǒng)的普及率不斷提高。此類系統(tǒng)的年增長率為8.3%1，其無眩光遠(yuǎn)光燈、LED和矩陣照明等特性共同構(gòu)成了自適應(yīng)駕駛光束(ADB)系統(tǒng)。ADB系統(tǒng)消除了對(duì)向駕駛員瞬間致盲的風(fēng)險(xiǎn)。為了進(jìn)一步提高駕駛員的安全性和舒適度，汽車OEM紛紛額外引入轉(zhuǎn)向燈和動(dòng)態(tài)曲線燈等自適應(yīng)照明功能(AFS)。

LED矩陣管理器可以高效管理矩陣和像素照明的電流，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。該器件通常使用6到12個(gè)集成開關(guān)控制LED電壓（高達(dá)65 V），從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并節(jié)省時(shí)間。其集成的MOSFET額定電壓在5 V至14 V之間，具有低導(dǎo)通電阻RDS(ON)，能夠處理高達(dá)2 A的LED電流。

此外，LED矩陣管理器提供性能出色的優(yōu)化脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)光設(shè)置。這包括PWM調(diào)光狀態(tài)之間的平滑過渡，以及用于PWM調(diào)光的內(nèi)部或外部時(shí)鐘控制選項(xiàng)。

LED矩陣管理器調(diào)光性能的快速進(jìn)步，大大提升了安全性，改善了駕駛體驗(yàn)，并增強(qiáng)了品牌辨識(shí)度。

LED前照燈的優(yōu)點(diǎn)

目前，汽車的前照燈主要采用鹵素?zé)?、氙燈或LED燈。氙燈一度在高端車輛中很常見，但現(xiàn)在LED燈越來越受歡迎，并有望迅速成為較普遍的選擇。

表1總結(jié)了這些燈的區(qū)別。LED燈比鹵素?zé)袅?，但不如氙燈亮。氙燈在夜晚可能過于刺眼。通常，鹵素?zé)魞H使用20%的功率來發(fā)光，而LED燈可使用80%的功率2。盡管LED燈的初始成本較高，但其使用壽命較長、能源效率較高，從長遠(yuǎn)來看可以節(jié)省成本。另外，LED燈更小，為汽車制造商設(shè)計(jì)前照燈提供了更大的靈活性。

表1 鹵素?zé)簟㈦療艉蚅ED燈對(duì)比

LED外部前照燈系統(tǒng)概述

如圖1所示，前照燈系統(tǒng)包括微控制器、電壓源、電流源和LED燈。微控制器，也是LED模塊(LM)，位于燈的外部，一般被稱為LED控制模塊(LCM)。LCM通常采用CAN總線進(jìn)行通信并監(jiān)控LM的狀態(tài)，比如動(dòng)畫效果和亮度等。在LCM內(nèi)部，LED驅(qū)動(dòng)器通常采用降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以便支持不同的LM配置，例如單個(gè)LM有6個(gè)或12個(gè)LED。在圖1中，LCM內(nèi)的LED驅(qū)動(dòng)器同時(shí)包含電壓源和電流源。通常，電壓源將電池電壓調(diào)整到較高水平（由LED的數(shù)量決定），而電流源則向LM提供一致的電流并降低升高的電壓。

汽車外部前照明系統(tǒng)具有多種照明功能，包括近光燈(LB)、遠(yuǎn)光燈(HB)、日間行車燈(DRL)、前位燈(PL)和轉(zhuǎn)向指示燈。根據(jù)具體的照明功能，LM設(shè)置了不同數(shù)量和顏色的LED。這意味著LCM必須提供適當(dāng)?shù)碾娏髟磥碚{(diào)節(jié)亮度。為了節(jié)省成本，制造商可能會(huì)將兩個(gè)或更多照明功能集成到單個(gè)LM中，例如將日間行車燈和前位燈組合在一起。

LED矩陣管理器（如MAX25608）用于控制各個(gè)LED，實(shí)現(xiàn)不同的調(diào)光場(chǎng)景，例如迎賓和轉(zhuǎn)向指示等。LED矩陣管理器由多個(gè)開關(guān)組成，這些開關(guān)可以獨(dú)立編程以繞過燈帶中每個(gè)開關(guān)上的LED。每個(gè)開關(guān)可以完全接通、完全斷開，或使用/不使用漸變轉(zhuǎn)換模式進(jìn)行調(diào)光。調(diào)光頻率由內(nèi)部振蕩器設(shè)置，或設(shè)置為外部時(shí)鐘源。

智能照明功能： ADB

ADB系統(tǒng)是一種智能HB控制系統(tǒng)，可以根據(jù)駕駛情況自適應(yīng)地調(diào)整光束模式。高亮度的遠(yuǎn)光燈可能會(huì)分散駕駛員和行人的注意力。ADB系統(tǒng)的自適應(yīng)能力可以自動(dòng)關(guān)閉明亮的燈光或部分光束，避免使駕駛員和行人感到炫目。根據(jù)不同的前照燈分辨率要求，ADB系統(tǒng)的LM可由四個(gè)或更多LED矩陣管理器組成，以控制四個(gè)或更多LED區(qū)域。使用LED矩陣管理器可以輕松實(shí)現(xiàn)ADB系統(tǒng)，并且ADB系統(tǒng)中的LED可以單獨(dú)調(diào)光。

LED矩陣管理器的故障檢測(cè)與保護(hù)

檢測(cè)LED是否開路或短路對(duì)于安全至關(guān)重要。具有安全功能的系統(tǒng)可減輕潛在故障的影響。檢查前照燈系統(tǒng)中的LED是否開路或短路，有助于發(fā)現(xiàn)任何可能發(fā)生的問題。LED矩陣管理器內(nèi)置了短路和開路保護(hù)功能。MAX25608可跟蹤任何與開路或短路相關(guān)的故障。當(dāng)個(gè)別LED開關(guān)漏極節(jié)點(diǎn)（圖2）和開關(guān)源極節(jié)點(diǎn)之間的電壓超過開路閾值時(shí)，就會(huì)觸發(fā)LED開路故障，狀態(tài)寄存器會(huì)報(bào)告此故障。如圖3所示，開路閾值設(shè)置為4.66 V，而開關(guān)上的電壓為4.88 V，進(jìn)而觸發(fā)了LED開路故障。當(dāng)開關(guān)漏極節(jié)點(diǎn)和開關(guān)源極節(jié)點(diǎn)之間的電壓低于開關(guān)開路情況的短路閾值時(shí)，會(huì)觸發(fā)LED短路故障，狀態(tài)寄存器也會(huì)報(bào)告此故障。圖4提供了一個(gè)示例，短路閾值設(shè)置為1.4 V，而開關(guān)上的電壓為2.4 V，進(jìn)而觸發(fā)了LED短路故障。

圖1 LED前照燈系統(tǒng)

圖2 LED故障檢測(cè)

圖3 MAX25608 LED開路檢測(cè)（通道2：漏極電壓；通道3：FLTB；通道4：LED電流）

圖4 MAX25608 LED短路檢測(cè)（通道2：漏極電壓；通道3：FLTB；通道4：LED電流）

安全UART通信協(xié)議

ADI公司的MAX25608可在微控制器和多達(dá)16個(gè)MAX25608器件之間提供多點(diǎn)通用異步接收器-變送器(UART)通信。寫入和讀取命令示例如圖5和圖6所示。為了確保數(shù)據(jù)安全，使用數(shù)據(jù)包上的3位循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)來保護(hù)讀/寫事務(wù)。如果微控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)包的CRC不正確，則MAX25608不應(yīng)答并放棄此次通信。

如果發(fā)生通信丟失，MAX25608的UART看門狗特性會(huì)將開關(guān)設(shè)置為預(yù)配置狀態(tài)。當(dāng)微控制器通信線路處于非活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間超過設(shè)定的時(shí)間時(shí)，故障指示燈亮起；如果啟用了UART看門狗，則LED進(jìn)入預(yù)配置狀態(tài)。如圖7所示，UART看門狗定時(shí)器設(shè)置為500 ms。當(dāng)UART接收器信號(hào)處于非活動(dòng)狀態(tài)480 ms后，LED將關(guān)閉，因?yàn)轭A(yù)配置狀態(tài)為關(guān)閉。

圖5 寫入命令的示例

圖6 讀取命令的示例

我們可以輕松評(píng)估熱性能和EMI性能等性能指標(biāo)。如圖8所示，矩陣管理器由MAX25601升壓-降壓LED驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，矩陣管理器上的所有開關(guān)均閉合，為12個(gè)LED提供1.5 A輸出。在室溫環(huán)境下僅捕獲到30.4°C的溫升。

圖7 MAX25608 UART看門狗功能（通道1：UART接收器；通道2：漏極電壓；通道3：FLTB；通道4：LED電流）

LED矩陣管理器的性能

ADI的MAX25608提供出色的集成度、高性能和安全性、靈活性以及EMI抑制功能，例如：

■   高集成度：提供內(nèi)置對(duì)數(shù)淡入/淡出功能，簡(jiǎn)化LED編程并降低系統(tǒng)總線負(fù)擔(dān)。

■   高性能和安全性：具有先進(jìn)的故障保護(hù)和管理功能，可檢測(cè)LED開路、短路和走線開路。RDS(ON)低，安全地提供高LED電流。

■   靈活性：支持多個(gè)IC來管理大量LED像素；設(shè)計(jì)人員可以配置LED燈組，例如1串×12串聯(lián)開關(guān)和2串×6串聯(lián)開關(guān)。

■    EMI抑制：擺率控制可降低EMI和噪聲。

圖8 1.5 A條件下熱像儀捕獲的MAX25608熱圖像

在1 A輸出至12個(gè)LED的相同測(cè)試環(huán)境下，由于MAX25608的專有電荷泵設(shè)計(jì)，EMI結(jié)果未顯示出尖峰，如圖9所示。

MAX25608由MAX25600 H橋LED驅(qū)動(dòng)器 驅(qū)動(dòng)，每個(gè)通道有兩個(gè)LED。我們?yōu)镸AX25600增加了一個(gè)4.7 μF輸出電容和一個(gè)濾波器(1 μH + 0.1 μF)。調(diào)光時(shí)的電流尖峰測(cè)量如圖10所示。

圖9 MAX25608的傳導(dǎo)EMI

圖10 調(diào)光期間電流尖峰

結(jié)論

隨著汽車電氣化和智能化趨勢(shì)的快速發(fā)展，照明系統(tǒng)已成為現(xiàn)在和未來汽車設(shè)計(jì)中越來越重要的功能。照明系統(tǒng)必須靈活、高效、可靠，而且能創(chuàng)造出更具個(gè)性化和藝術(shù)化的燈光效果。ADB和AFS被視為高級(jí)安全特性。在這些設(shè)計(jì)中，需要一個(gè)準(zhǔn)確、高效、可靠的LED管理器來管理LED矩陣。

參考文獻(xiàn)

1 Sejal Akre，“汽車智能照明系統(tǒng)市場(chǎng)研究報(bào)告，信息按技術(shù)（氙燈、LED燈、鹵素?zé)簦?、照明類型（智能氛圍照明、自適應(yīng)前大燈）、車輛類型（乘用車、商用車）和地區(qū)（亞太、北美、歐洲和世界其他地區(qū)）劃分——至2032年的市場(chǎng)預(yù)測(cè)”，Market Research Future，2024年3月。

2 “LED與鹵素?zé)襞荨?，DISPLAYS2GO，2023年8月。

關(guān)于作者

Jason Bai是ADI公司的應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)汽車電源產(chǎn)品的支持和應(yīng)用。Jason于2020年加入Maxim Integrated（現(xiàn)為ADI公司的一部分），擁有美國邁阿密大學(xué)（俄亥俄州）電氣工程碩士學(xué)位。