LVDS 收發(fā)器提升汽車照明性能的三種方式

時間：2024-07-16 20:35:58

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[導(dǎo)讀]視覺數(shù)據(jù)處理是汽車照明應(yīng)用(例如自適應(yīng)照明、地面投影和動畫)不可或缺的一部分。圖像處理和人工智能的進(jìn)步正在增強(qiáng)這些系統(tǒng)，使其能夠以更快的速度實(shí)時解密數(shù)據(jù)。然而，傳統(tǒng)的數(shù)字信號接口為這些快速發(fā)展的系統(tǒng)造成了瓶頸。本文探討了低壓差分信號 (LVDS) 接口電路如何幫助設(shè)計(jì)人員克服與帶寬、信號完整性和功耗相關(guān)的汽車照明挑戰(zhàn)。

視覺數(shù)據(jù)處理是汽車照明應(yīng)用(例如自適應(yīng)照明、地面投影和動畫)不可或缺的一部分。圖像處理和人工智能的進(jìn)步正在增強(qiáng)這些系統(tǒng)，使其能夠以更快的速度實(shí)時解密數(shù)據(jù)。然而，傳統(tǒng)的數(shù)字信號接口為這些快速發(fā)展的系統(tǒng)造成了瓶頸。本文探討了低壓差分信號 (LVDS) 接口電路如何幫助設(shè)計(jì)人員克服與帶寬、信號完整性和功耗相關(guān)的汽車照明挑戰(zhàn)。

為了創(chuàng)造更安全的駕駛環(huán)境，原始設(shè)備制造商 (OEM) 和一級供應(yīng)商正在開發(fā)自適應(yīng)大燈，以動態(tài)調(diào)整以適應(yīng)不同的道路和天氣條件。最先進(jìn)的大燈系統(tǒng)結(jié)合了外部燈光的動畫控制或地面投影警告，但最受歡迎的應(yīng)用之一是無眩光遠(yuǎn)光燈，它在檢測到行人或汽車時自動調(diào)整光線分布。

實(shí)現(xiàn)無眩光前照燈的方法不止一種。有些架構(gòu)采用純機(jī)械方法，而其他架構(gòu)(如自適應(yīng)遠(yuǎn)光燈 (ADB) 系統(tǒng))則控制 LED 陣列。

在 ADB 前照燈中，前置攝像頭可捕捉實(shí)時路況數(shù)據(jù)并自動調(diào)整前照燈的照明配置。圖 1 描繪了使用 LED 矩陣控制器的 ADB 系統(tǒng)的簡化設(shè)計(jì)。主要模塊包括攝像頭、電子控制單元 (ECU) 和 LED 驅(qū)動模塊。高速攝像頭通過串行器-解串器接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿挥?ECU 板上的微處理器或微控制器 (MCU)。MCU 計(jì)算像素配置并將控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)角罢諢籼幍?LED 驅(qū)動模塊。

圖 1：帶 LED 矩陣管理器的自適應(yīng)頭燈

LED 模塊可以使用 LED 矩陣控制器(如圖 1 所示)或高密度 microLED，具體取決于目標(biāo)分辨率。添加 LED 可以為自適應(yīng)控制提供更高的分辨率。系統(tǒng)可以包含數(shù)十到數(shù)萬個 LED。隨著 OEM 繼續(xù)將更高密度的 LED 裝入前照燈中，所需的信號速率從每秒幾兆位增加到每秒千兆位。由此產(chǎn)生的 ECU 到 LED 板接口必須適應(yīng)這種帶寬的大幅增加。

除了高速之外，該接口還需要穩(wěn)健的長距離傳輸。差分信號的以下三個特性使其成為可靠汽車通信的絕佳選擇：

· 差分信號方法通過兩條互補(bǔ)路徑將數(shù)據(jù)從驅(qū)動器傳輸?shù)浇邮掌?。接收器旨在從兩個信號之間的電壓差(稱為差分電壓)中提取數(shù)據(jù)。這使接收器能夠抑制傳輸介質(zhì)上可能存在的共模噪聲。

· 差分信號減少了驅(qū)動器和接收器之間的地線偏移的影響，因?yàn)閿?shù)據(jù)不參考公共地。

· 以相等且相反的幅度平衡傳輸數(shù)據(jù)有助于最大限度地減少電磁干擾 (EMI)。

我將考慮四種常見的差分接口：控制器局域網(wǎng) (CAN)、RS-422、RS-485 和 LVDS。標(biāo)準(zhǔn)的物理電氣特性決定了支持的傳輸速率、長度、共模容差和功率等因素。表 1 總結(jié)了權(quán)衡利弊。

表 1：常見差分信號標(biāo)準(zhǔn)摘要

CAN 總線因其低成本、可靠性和極大的靈活性而在汽車行業(yè)擁有悠久的歷史。CAN 協(xié)議由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 11898 標(biāo)準(zhǔn)化，該組織定義了開放系統(tǒng)互連 (OSI) 模型的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。僅考慮物理層，它使用平衡差分信號。CAN High 和 CAN Low 構(gòu)成差分對，其中邏輯高電平信號為 3.5 V，邏輯低電平信號為 1.5 V。由此產(chǎn)生的差分電壓擺幅為 2 V。

共模電壓范圍決定了發(fā)射器和接收器接地之間允許的電壓差。ISO 11898 要求共模容差至少為 -2 V 至 7 V?？紤]到這些電氣參數(shù)，CAN 總線支持最長 40 米的總線長度和最多 30 個節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)速率最高限制為 1 Mbps。

盡管 CAN 是新標(biāo)準(zhǔn)的前身，例如支持高達(dá) 10 Mbps 速度的 CAN-Flexible Data Rate，但基于視覺的網(wǎng)絡(luò)(如 ADB 系統(tǒng))仍然需要更高的吞吐量。

RS-422(電信行業(yè)協(xié)會/電子工業(yè)聯(lián)盟 [TIA/EIA] 422)和 RS-485(TIA/EIA-485)收發(fā)器也受到數(shù)據(jù)速率限制。這些規(guī)范僅定義物理層。兩種標(biāo)準(zhǔn)都使用較大的差分電壓擺幅(高達(dá) 5 V)來實(shí)現(xiàn) 1,200 米的傳輸距離。需要注意的是，數(shù)據(jù)速率和傳輸距離呈反比關(guān)系。隨著頻率的增加，最大允許距離會減小。這些標(biāo)準(zhǔn)還允許較大的共模電壓范圍，這使它們成為工業(yè)應(yīng)用(例如工廠自動化和控制以及樓宇自動化)的理想選擇，但不適合高速視覺網(wǎng)絡(luò)。

顧名思義，LVDS 具有非常小的差分電壓擺幅。這一特性和其他基本電氣特性使其能夠?qū)崿F(xiàn)超過 3 Gbps 的信號傳輸速率、高達(dá) 10 米的傳輸距離和非常低的功耗，這些都是使用自適應(yīng) LED 控制的設(shè)計(jì)的優(yōu)勢。讓我們仔細(xì)看看 LVDS 標(biāo)準(zhǔn)，以更好地理解其工作原理(圖 2)。

圖2：點(diǎn)對點(diǎn)LVDS傳輸

最基本的 LVDS 鏈路由驅(qū)動器、傳輸介質(zhì)、100 Ω 終端電阻和接收器組成。LVDS 驅(qū)動器接受單端互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 輸入信號并將其轉(zhuǎn)換為 LVDS 輸出。驅(qū)動器包含一個 3.5 mA 恒流源，負(fù)責(zé)在終端電阻上產(chǎn)生非常小的 350 mV 差分。輸入邏輯電平低或邏輯電平高控制驅(qū)動器電流的極性。由于電壓擺幅很小，因此可以實(shí)現(xiàn)非常快的上升和下降時間，同時功耗也很小。

LVDS 接收器讀取終端電阻兩端的 ±350 mV 信號，并將其轉(zhuǎn)換回單端 CMOS 輸出。接收器的輸入為高阻抗，確保電流通過終端電阻。TIA/EIA-644A 還規(guī)定最小共模電壓范圍為 ±1 V;但是，許多可用的 LVDS 接收器支持?jǐn)U展的共模范圍。LVDS 接收器的差分閾值電壓為 100 mV，相對于差分輸入提供了良好的裕度。

如圖 3 所示，在 ECU 和 LED 模塊上添加 LVDS 驅(qū)動器和接收器對可以解決自適應(yīng)照明中的瓶頸問題。由于 LVDS 與協(xié)議無關(guān)，因此它為工程師提供了定義數(shù)據(jù)鏈路層的靈活性。在照明中，通常通過 LVDS 物理層傳遞通用異步接收器收發(fā)器 (UART) 等協(xié)議。LVDS 是一種非常成熟的標(biāo)準(zhǔn)，具有許多不同的產(chǎn)品和設(shè)備功能。德州儀器 (TI) 的產(chǎn)品組合包括數(shù)百種 LVDS 設(shè)備，涵蓋不同的通道數(shù)、產(chǎn)品等級、電壓和數(shù)據(jù)速率。對于自適應(yīng)照明應(yīng)用，DS90LV011AQ-Q1 和 DS90LT012AQ-Q1 是經(jīng)濟(jì)高效的汽車級驅(qū)動器和接收器對。TI 的 DS90LVRA2-Q1 是一款汽車級雙通道 LVDS 接收器，支持 3.3-V、2.5-V 和 1。8V 邏輯電壓，用于與低壓處理器實(shí)現(xiàn)互操作性。