LED矩陣管理器賦能高密度汽車智能安全前照燈系統(tǒng)

摘要

LED矩陣管理器為原始設備制造商(OEM)提供先進的前照燈系統(tǒng)，以增強安全性并塑造品牌差異性。該系統(tǒng)提供無縫集成、高性能和安全特性，并有效降低了電磁干擾(EMI)，其中還內(nèi)置了對數(shù)淡入/淡出功能，并具有低RDS(ON)和擺率控制，確保系統(tǒng)以出色狀態(tài)運行。本文討論如何使用LED矩陣管理器來提升汽車前照燈系統(tǒng)設計的智能化。

簡介

得益于人們對安全性以及專業(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，其無眩光遠光燈、LED和矩陣照明等特性共同構成了自適應駕駛光束(ADB)系統(tǒng)。ADB系統(tǒng)消除了對向駕駛員瞬間致盲的風險。為了進一步提高駕駛員的安全性和舒適度，汽車OEM紛紛額外引入轉向燈和動態(tài)曲線燈等自適應照明功能(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)揮著至關重要的作用。該器件通常使用6到12個集成開關控制LED電壓（高達65 V），從而簡化設計并節(jié)省時間。其集成的MOSFET額定電壓在5 V至14 V之間，具有低導通電阻RDS(ON)，能夠處理高達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)部或外部時鐘控制選項。

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

LED前照燈的優(yōu)點

目前，汽車的前照燈主要采用鹵素燈、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總結了這些燈的區(qū)別。LED燈比鹵素燈亮，但不如氙燈亮。氙燈在夜晚可能過于刺眼。通常，鹵素燈僅使用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，從長遠來看可以節(jié)省成本。另外，LED燈更小，為汽車制造商設計前照燈提供了更大的靈活性。

表1.鹵素燈、氙燈和LED燈對比

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總線進行通信并監(jiān)控LM的狀態(tài)，比如動畫效果和亮度等。在LCM內(nèi)部，LED驅動器通常采用降壓-升壓拓撲結構，以便支持不同的LM配置，例如單個LM有6個或12個LED。在圖1中，LCM內(nèi)的LED驅動器同時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)、遠光燈(HB)、日間行車燈(DRL)、前位燈(PL)和轉向指示燈。根據(jù)具體的照明功能，LM設置了不同數(shù)量和顏色的LED。這意味著LCM必須提供適當?shù)碾娏髟磥碚{(diào)節(jié)亮度。為了節(jié)省成本，制造商可能會將兩個或更多照明功能集成到單個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LED，實現(xiàn)不同的調(diào)光場景，例如迎賓和轉向指示等。LED矩陣管理器由多個開關組成，這些開關可以獨立編程以繞過燈帶中每個開關上的LED。每個開關可以完全接通、完全斷開，或使用/不使用漸變轉換模式進行調(diào)光。調(diào)光頻率由內(nèi)部振蕩器設置，或設置為外部時鐘源。

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)駕駛情況自適應地調(diào)整光束模式。高亮度的遠光燈可能會分散駕駛員和行人的注意力。ADB系統(tǒng)的自適應能力可以自動關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可由四個或更多LED矩陣管理器組成，以控制四個或更多LED區(qū)域。使用LED矩陣管理器可以輕松實現(xiàn)ADB系統(tǒng)，并且ADB系統(tǒng)中的LED可以單獨調(diào)光。

LED矩陣管理器的故障檢測與保護

檢測LED是否開路或短路對于安全至關重要。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功能。MAX25608可跟蹤任何與開路或短路相關的故障。當個別LED開關漏極節(jié)點（圖2）和開關源極節(jié)點之間的電壓超過開路閾值時，就會觸發(fā)LED開路故障，狀態(tài)寄存器會報告此故障。如圖3所示，開路閾值設置為4.66 V，而開關上的電壓為4.88 V，進而觸發(fā)了LED開路故障。當開關漏極節(jié)點和開關源極節(jié)點之間的電壓低于開關開路情況的短路閾值時，會觸發(fā)LED短路故障，狀態(tài)寄存器也會報告此故障。圖4提供了一個示例，短路閾值設置為1.4 V，而開關上的電壓為2.4 V，進而觸發(fā)了LED短路故障。

圖1.LED前照燈系統(tǒng)

圖2.LED故障檢測

圖3.MAX25608 LED開路檢測（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（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16個MAX25608器件之間提供多點通用異步接收器-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(CRC)來保護讀/寫事務。如果微控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)包的CRC不正確，則MAX25608不應答并放棄此次通信。

如果發(fā)生通信丟失，MAX25608的UART看門狗特性會將開關設置為預配置狀態(tài)。當微控制器通信線路處于非活動狀態(tài)的時間超過設定的時間時，故障指示燈亮起；如果啟用了UART看門狗，則LED進入預配置狀態(tài)。如圖7所示，UART看門狗定時器設置為500 ms。當UART接收器信號處于非活動狀態(tài)480 ms后，LED將關閉，因為預配置狀態(tài)為關閉。

圖5.寫入命令的示例

圖6.讀取命令的示例

我們可以輕松評估熱性能和EMI性能等性能指標。如圖8所示，矩陣管理器由MAX25601升壓-降壓LED驅動器驅動，矩陣管理器上的所有開關均閉合，為12個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)置對數(shù)淡入/淡出功能，簡化LED編程并降低系統(tǒng)總線負擔。

高性能和安全性：具有先進的故障保護和管理功能，可檢測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IC來管理大量LED像素；設計人員可以配置LED燈組，例如1串×12串聯(lián)開關和2串×6串聯(lián)開關。

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LED的相同測試環(huán)境下，由于MAX25608的專有電荷泵設計，EMI結果未顯示出尖峰，如圖9所示。

MAX25608由MAX25600 H橋LED驅動器驅動，每個通道有兩個LED。我們?yōu)镸AX25600增加了一個4.7 μF輸出電容和一個濾波器(1 μH + 0.1 μF)。調(diào)光時的電流尖峰測量如圖10所示。

圖9.MAX25608的傳導EMI

圖10.調(diào)光期間電流尖峰

結論

隨著汽車電氣化和智能化趨勢的快速發(fā)展，照明系統(tǒng)已成為現(xiàn)在和未來汽車設計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)造出更具個性化和藝術化的燈光效果。ADB和AFS被視為高級安全特性。在這些設計中，需要一個準確、高效、可靠的LED管理器來管理LED矩陣。

參考文獻

1Sejal Akre，“汽車智能照明系統(tǒng)市場研究報告，信息按技術（氙燈、LED燈、鹵素燈）、照明類型（智能氛圍照明、自適應前大燈）、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年的市場預測”，Market Research Future，2024年3月。

2“LED與鹵素燈泡”，DISPLAYS2GO，2023年8月。