LED矩陣管理器賦能高密度汽車智能安全前照燈系統

簡介

得益于人們對安全性以及專業品牌形象的追求，智能前照燈系統的普及率不斷提高。此類系統的年增長率為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。ADB系統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化脈沖寬度調制(PWM)調光設置。這包括PWM調光狀態之間的平滑過渡，以及用于PWM調光的內部或外部時鐘控制選項。

LED矩陣管理器調光性能的快速進步，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外部前照燈系統概述

如圖1所示，前照燈系統包括微控制器、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總線進行通信并監控LM的狀態，比如動畫效果和亮度等。在LCM內部，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整到較高水平（由LED的數量決定），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。根據具體的照明功能，LM設置了不同數量和顏色的LED。這意味著LCM必須提供適當的電流源來調節亮度。為了節省成本，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，實現不同的調光場景，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光。調光頻率由內部振蕩器設置，或設置為外部時鐘源。

智能照明功能： ADB

ADB系統是一種智能HB控制系統，可以根據駕駛情況自適應地調整光束模式。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。根據不同的前照燈分辨率要求，ADB系統的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區域。使用LED矩陣管理器可以輕松實現ADB系統，并且ADB系統中的LED可以單獨調光。

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可減輕潛在故障的影響。檢查前照燈系統中的LED是否開路或短路，有助于發現任何可能發生的問題。LED矩陣管理器內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開關漏極節點（圖2）和開關源極節點之間的電壓超過開路閾值時，就會觸發LED開路故障，狀態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，進而觸發了LED開路故障。當開關漏極節點和開關源極節點之間的電壓低于開關開路情況的短路閾值時，會觸發LED短路故障，狀態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，進而觸發了LED短路故障。

圖1 LED前照燈系統

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。為了確保數據安全，使用數據包上的3位循環冗余校驗(CRC)來保護讀/寫事務。如果微控制器發送的數據包的CRC不正確，則MAX25608不應答并放棄此次通信。

如果發生通信丟失，MAX25608的UART看門狗特性會將開關設置為預配置狀態。當微控制器通信線路處于非活動狀態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。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480 ms后，LED將關閉，因為預配置狀態為關閉。

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：提供內置對數淡入/淡出功能，簡化LED編程并降低系統總線負擔。

■   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串聯開關和2串×6串聯開關。

■    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。我們為MAX25600增加了一個4.7 μF輸出電容和一個濾波器(1 μH + 0.1 μF)。調光時的電流尖峰測量如圖10所示。

圖9 MAX25608的傳導EMI

圖10 調光期間電流尖峰

結論

隨著汽車電氣化和智能化趨勢的快速發展，照明系統已成為現在和未來汽車設計中越來越重要的功能。照明系統必須靈活、高效、可靠，而且能創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

1 Sejal Akre，“汽車智能照明系統市場研究報告，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（亞太、北美、歐洲和世界其他地區）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。

關于作者

Jason Bai是ADI公司的應用工程師，負責汽車電源產品的支持和應用。Jason于2020年加入Maxim Integrated（現為ADI公司的一部分），擁有美國邁阿密大學（俄亥俄州）電氣工程碩士學位。