LED矩阵管理器赋能高密度汽车智能安全前照灯系统

作者：Jason Bai，ADI应用工程师

摘要
LED矩阵管理器为原始设备制造商(OEM)提供先进的前照灯系统，以增强安全性并塑造品牌差异性。该系统提供无缝集成、高性能和安全特性，并有效降低了电磁干扰(EMI)，其中还内置了对数淡入/淡出功能，并具有低RDS(ON)和摆率控制，确保系统以出色状态运行。本文讨论如何使用LED矩阵管理器来提升汽车前照灯系统设计的智能化。

简介

得益于人们对安全性以及专业品牌形象的追求，智能前照灯系统的普及率不断提高。此类系统的年增长率为8.3%1，其无眩光远光灯、LED和矩阵照明等特性共同构成了自适应驾驶光束(ADB)系统。ADB系统消除了对向驾驶员瞬间致盲的风险。为了进一步提高驾驶员的安全性和舒适度，汽车OEM纷纷额外引入转向灯和动态曲线灯等自适应照明功能(AFS)。

LED矩阵管理器可以高效管理矩阵和像素照明的电流，发挥着至关重要的作用。该器件通常使用6到12个集成开关控制LED电压（高达65 V），从而简化设计并节省时间。其集成的MOSFET额定电压在5 V至14 V之间，具有低导通电阻RDS(ON)，能够处理高达2 A的LED电流。

此外，LED矩阵管理器提供性能出色的优化脉冲宽度调制(PWM)调光设置。这包括PWM调光状态之间的平滑过渡，以及用于PWM调光的内部或外部时钟控制选项。

LED矩阵管理器调光性能的快速进步，大大提升了安全性，改善了驾驶体验，并增强了品牌辨识度。

LED前照灯的优点

目前，汽车的前照灯主要采用卤素灯、氙灯或LED灯。氙灯一度在高端车辆中很常见，但现在LED灯越来越受欢迎，并有望迅速成为较普遍的选择。

表1总结了这些灯的区别。LED灯比卤素灯亮，但不如氙灯亮。氙灯在夜晚可能过于刺眼。通常，卤素灯仅使用20%的功率来发光，而LED灯可使用80%的功率2。尽管LED灯的初始成本较高，但其使用寿命较长、能源效率较高，从长远来看可以节省成本。另外，LED灯更小，为汽车制造商设计前照灯提供了更大的灵活性。

表1.卤素灯、氙灯和LED灯对比

    　  卤素灯  氙灯  LED灯

  亮度  低  高  中
  能源效率  低  中  高
  寿命  短  中  非常长
  尺寸  大  大  小
  价格  低  中  高

LED外部前照灯系统概述

如图1所示，前照灯系统包括微控制器、电压源、电流源和LED灯。微控制器，也是LED模块(LM)，位于灯的外部，一般被称为LED控制模块(LCM)。LCM通常采用CAN总线进行通信并监控LM的状态，比如动画效果和亮度等。在LCM内部，LED驱动器通常采用降压-升压拓扑结构，以便支持不同的LM配置，例如单个LM有6个或12个LED。在图1中，LCM内的LED驱动器同时包含电压源和电流源。通常，电压源将电池电压调整到较高水平（由LED的数量决定），而电流源则向LM提供一致的电流并降低升高的电压。

汽车外部前照明系统具有多种照明功能，包括近光灯(LB)、远光灯(HB)、日间行车灯(DRL)、前位灯(PL)和转向指示灯。根据具体的照明功能，LM设置了不同数量和颜色的LED。这意味着LCM必须提供适当的电流源来调节亮度。为了节省成本，制造商可能会将两个或更多照明功能集成到单个LM中，例如将日间行车灯和前位灯组合在一起。

LED矩阵管理器（如MAX25608）用于控制各个LED，实现不同的调光场景，例如迎宾和转向指示等。LED矩阵管理器由多个开关组成，这些开关可以独立编程以绕过灯带中每个开关上的LED。每个开关可以完全接通、完全断开，或使用/不使用渐变转换模式进行调光。调光频率由内部振荡器设置，或设置为外部时钟源。

智能照明功能： ADB

ADB系统是一种智能HB控制系统，可以根据驾驶情况自适应地调整光束模式。高亮度的远光灯可能会分散驾驶员和行人的注意力。ADB系统的自适应能力可以自动关闭明亮的灯光或部分光束，避免使驾驶员和行人感到炫目。根据不同的前照灯分辨率要求，ADB系统的LM可由四个或更多LED矩阵管理器组成，以控制四个或更多LED区域。使用LED矩阵管理器可以轻松实现ADB系统，并且ADB系统中的LED可以单独调光。

LED矩阵管理器的故障检测与保护

检测LED是否开路或短路对于安全至关重要。具有安全功能的系统可减轻潜在故障的影响。检查前照灯系统中的LED是否开路或短路，有助于发现任何可能发生的问题。LED矩阵管理器内置了短路和开路保护功能。MAX25608可跟踪任何与开路或短路相关的故障。当个别LED开关漏极节点（图2）和开关源极节点之间的电压超过开路阈值时，就会触发LED开路故障，状态寄存器会报告此故障。如图3所示，开路阈值设置为4.66 V，而开关上的电压为4.88 V，进而触发了LED开路故障。当开关漏极节点和开关源极节点之间的电压低于开关开路情况的短路阈值时，会触发LED短路故障，状态寄存器也会报告此故障。图4提供了一个示例，短路阈值设置为1.4 V，而开关上的电压为2.4 V，进而触发了LED短路故障。


图1.LED前照灯系统


图2.LED故障检测


图3.MAX25608 LED开路检测（通道2：漏极电压；通道3：FLTB；通道4：LED电流）


图4.MAX25608 LED短路检测（通道2：漏极电压；通道3：FLTB；通道4：LED电流）

安全UART通信协议

ADI公司的MAX25608可在微控制器和多达16个MAX25608器件之间提供多点通用异步接收器-变送器(UART)通信。写入和读取命令示例如图5和图6所示。为了确保数据安全，使用数据包上的3位循环冗余校验(CRC)来保护读/写事务。如果微控制器发送的数据包的CRC不正确，则MAX25608不应答并放弃此次通信。

如果发生通信丢失，MAX25608的UART看门狗特性会将开关设置为预配置状态。当微控制器通信线路处于非活动状态的时间超过设定的时间时，故障指示灯亮起；如果启用了UART看门狗，则LED进入预配置状态。如图7所示，UART看门狗定时器设置为500 ms。当UART接收器信号处于非活动状态480 ms后，LED将关闭，因为预配置状态为关闭。


图5.写入命令的示例


图6.读取命令的示例

我们可以轻松评估热性能和EMI性能等性能指标。如图8所示，矩阵管理器由MAX25601升压-降压LED驱动器驱动，矩阵管理器上的所有开关均闭合，为12个LED提供1.5 A输出。在室温环境下仅捕获到30.4°C的温升。


图7.MAX25608 UART看门狗功能（通道1：UART接收器；通道2：漏极电压；通道3：FLTB；通道4：LED电流）

LED矩阵管理器的性能

ADI的MAX25608提供出色的集成度、高性能和安全性、灵活性以及EMI抑制功能，例如：
►        高集成度：提供内置对数淡入/淡出功能，简化LED编程并降低系统总线负担。
►        高性能和安全性：具有先进的故障保护和管理功能，可检测LED开路、短路和走线开路。RDS(ON)低，安全地提供高LED电流。
►        灵活性：支持多个IC来管理大量LED像素；设计人员可以配置LED灯组，例如1串×12串联开关和2串×6串联开关。
►        EMI抑制：摆率控制可降低EMI和噪声。


图8.1.5 A条件下热像仪捕获的MAX25608热图像

在1 A输出至12个LED的相同测试环境下，由于MAX25608的专有电荷泵设计，EMI结果未显示出尖峰，如图9所示。

MAX25608由MAX25600 H桥LED驱动器 驱动，每个通道有两个LED。我们为MAX25600增加了一个4.7 μF输出电容和一个滤波器(1 μH + 0.1 μF)。调光时的电流尖峰测量如图10所示。


图9.MAX25608的传导EMI


图10.调光期间电流尖峰

结论

随着汽车电气化和智能化趋势的快速发展，照明系统已成为现在和未来汽车设计中越来越重要的功能。照明系统必须灵活、高效、可靠，而且能创造出更具个性化和艺术化的灯光效果。ADB和AFS被视为高级安全特性。在这些设计中，需要一个准确、高效、可靠的LED管理器来管理LED矩阵。

参考文献
1 Sejal Akre，“汽车智能照明系统市场研究报告，信息按技术（氙灯、LED灯、卤素灯）、照明类型（智能氛围照明、自适应前大灯）、车辆类型（乘用车、商用车）和地区（亚太、北美、欧洲和世界其他地区）划分——至2032年的市场预测”，Market Research Future，2024年3月。
2 “LED与卤素灯泡”，DISPLAYS2GO，2023年8月。

关于作者
Jason Bai是ADI公司的应用工程师，负责汽车电源产品的支持和应用。Jason于2020年加入Maxim Integrated（现为ADI公司的一部分），拥有美国迈阿密大学（俄亥俄州）电气工程硕士学位。