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一文尽览汽车照明5大创新应用

2019-12-24 赵明灿 阅读:
一文尽览汽车照明5大创新应用
汽车照明领域出现了自适应前照灯系统、动态尾灯、个性化内饰照明、更亮的定制化小灯和透明车窗显示五大创新应用场景。这些应用场景都有哪些好的解决方案和创新产品呢?

汽车电子创新层出不穷,例如在汽车照明领域,就出现了自适应前照灯系统、动态尾灯、个性化内饰照明、更亮的定制化小灯和透明车窗显示五个创新应用场景。日前,在德州仪器(TI)的媒体沟通会上,该公司LED驱动器产品线经理龚松对此进行了重点介绍,并介绍了该公司相应的解决方案和创新产品。CxRednc

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自适应前照灯系统

龚松介绍说,自适应前照灯的目的是为了减少眩光。“大家平时在路上行走或开车时应该也遇到过这样的场景:对面来车开着远光灯,你的眼前立刻变得一阵白茫茫的,如果你也开着远光灯,迎面双方都会出现视线上的盲区,这就会对道路安全产生非常严重的威胁。如果你是行人,也会给你带来极大的不舒适感。”他表示。CxRednc

车厂为了避免这种情况,花了多年的时间去研发技术。传统的方式是,汽车大灯使用卤素灯泡或者疝气灯。当时车厂有一个技术叫做自动调节远近光,当检测到前方有车辆或行人时,自动把远光调为近光。但这样也并不安全,特别是同时有行人和车辆来的时候,调成近光会使司机的视野受到极大的影响,看不到对面的行人。在这种情况下,TI就研发了自适应前照灯系统。CxRednc

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当对面有车辆或行人过来的时候,汽车只把光驱调暗,其他的光都保持原来的状态,这样就能有效避免眩光,同时对驾驶员的视野不构成影响。CxRednc

对此,德州仪器的解决方案是在前大灯上采用LED作为光源,这就需要LED驱动器。TI对应有2款产品:TPS92682-Q1和TPS92520-Q1。CxRednc

他表示,德州仪器产品上的“-Q1”后缀说明其通过了汽车Q100质量体系认证,是合格和业界认可的汽车级产品。第一款产品TPS92682是双通道的LED控制器,它最大的特点是灵活和容易配置。这个产品支持各种拓扑结构,比如升压拓扑、降压拓扑,有升降压和反激式等,都可以通过这一个芯片来实现。除了能实现多种拓扑结构之外,它还可以实现恒流(CC)或恒压(CV)输出模式。它可以独立作为静态大灯的解决方案,也可以和其他芯片配合在一起作为动态大灯的前沿芯片。CxRednc

这个芯片的输入电压范围特别广。“汽车上很多其他的应用有不同的输入电压,汽车典型的是12V的电池,但做一个产品就局限在12V是不行的,因为汽车的电池电压在最恶劣的情况下会有接近3V的低压。通常我们说4V-4.5V是比较合适的应用领域,高压可能到40V,这个产品在电源电压输入范围有非常宽的需求。”龚松说。CxRednc

他指出,在设计上,车厂,包括车灯供应商,这些一级和二级供应商做车辆设计时遇到的挑战是:车厂不同型号的车子或者不同的车厂间,对前大灯的造型和里面LED的配置要求是不一样的。这会造成设计人员在面对不同的项目时,需要找另外一个芯片来满足需求。这款芯片由于具有可配置性,因此厂商可以只用这一颗IC组成不同的拓扑架构,来满足所有不同车的型号和不同车OEM之间的需求。“这样带来的好处非常多,从公司运营、采购和生产的角度来说,只需要管理一颗料就可以满足不同的项目;从工程师的角度来说,每使用一个新的芯片都会碰到一些不了解的性能,都有可能在设计当中出现一些系统bug。而当你越长时间地使用这个芯片,对它就越了解,你设计出来的系统会越成熟越可靠。这让工程师只用这一颗芯片就能满足不同的需求,从技术上提供可靠性、稳定性,从公司运营的角度看也降低了客户运营的复杂性。”他指出。CxRednc

第二款产品TPS92520-Q1同时将这几个性能集成在了同一个芯片中。它也是具有SPI的单片双路同步降压LED的驱动器,同时集成了MOSFET。这个芯片的开关频率非常高,达到2.2MHz。TI将这个技术引入汽车LED照明领域,把底部的散热盘放到了芯片顶部,这样就非常容易在上面再放一个散热片,加强系统散热,而使这个小小的芯片可以输出极大的功率。CxRednc

“TI的参考设计是用这两个芯片组成的,在这么小的面积内实现了120W的汽车前照灯参考设计。”龚松说,“在这样一个参考设计上,可以用它实现静态或动态的LED前大灯的ECU设计。”CxRednc

这两颗芯片塑造了汽车前大灯的前两级,但要真正实现动态控制需要LED的像素级控制,需要控制每一个LED单独的开和关,这样才能够实现关闭确定的某一区域的光,保留其他区域的光继续开启。因此,还需要一颗TPS9266X-Q1芯片实现LED矩阵管理,也就是TI的Matrix Manager。CxRednc

这个方案实现了防止眩光的功能,同时给汽车OEM带来了一些惊喜。他指出,LED前大灯的矩阵管理有一个特点,每个独立像素的管理做得特别精确,每个像素点还带独立的诊断功能。这样,如果像素点出现问题可以及时报告给ECU,让系统知道你的安全可能受到潜在的威胁。这样的产品可以让用户编程光束的形状。“比如夜晚在高速公路上开车时,因为车速比较快,周围需要照得更远,从而让你的视野更远。这时候它会形成一个照得很远的光束,但是视线相对比较窄。当你走到省级公路或者普通公路时,路况比较复杂,这时候它会提供更宽广的视野,把光照得更宽,让你可以看到周围更近距离的路况,保证系统的安全。”CxRednc

然后,一些汽车前大灯的厂家提出了需要几千个像素点的更高分辨率的要求。这在原有基础上就带来了极大的挑战:1.LED是单独布设的,芯片会越来越大;2.前大灯是功率系统,当采用更多LED的时候热管理也开始出现问题。为此,德州仪器出了一个百万级像素解决方案,彻底超越了客户的需求,并且解决了他们所有的问题,这就是DLP(数字光源处理)技术。CxRednc

DLP技术早已有之,现在TI将它带入汽车领域。“首先,它超越了客户对于前大灯像素的需求,我们带来一个百万级像素产品。第二,这个产品因为卓越的特性又带来了客户当时没有想到的一些应用。这个产品能够实现高精度、高分辨率投影的效果,现在客户在用它做一些特别炫酷的应用。”他举例说,“比如现在行车途中遇到行人,要停车让行人先过去。但在没有斑马线的情况下,遇到行人其实也要让他先过去。行人怎么知道你停车是在等他先通过呢?这时候你就可以用DLP的LED作为人车沟通的渠道:可以用前大灯投影出一个斑马线给行人,这样他就知道可以过去了。前大灯有各种各样投影应用,DLP技术超越了汽车厂家对于前大灯产品应用的需求,它有更多的可能在等候汽车OEM和前大灯设计厂家去发掘。”CxRednc

DLP 5531-Q1也通过了汽车级认证。已经有产品采用这种技术在公路上运营了。DLP所用0.55英寸的数字微镜器件(DMD)能够把尺寸做得特别小,把光源镜头的高度做到小于40mm,让它可以塞在前大灯里。除此之外,TI还提供参考设计来简化工程师的设计任务。这个参考设计提供了自适应远光灯技术,同时把分辨率提升到1万倍以上。CxRednc

TIDA-020026是步进电机参考设计,用于调整光源位置。它应用在汽车的一些特殊的应用场景。“比如上下坡时,如果还是保持原来光照明的水平位置就会发现视角变得不是那么好,或者亮度变得不是那么高。通过简化的步进电机的设计抬高或降低光源的位置,使得驾驶员始终可以获得非常清晰的视野,同时提供足够的亮度。”他解释说,“这个产品非常有特色,我们做了一些算法在里面,这个产品也不需要额外的传感器,有效简化了产品设计。”CxRednc

尾灯

传统的尾灯非常简单,它实现信号功能,比如要刹车、转弯或是给出一个简单的指示功能。但现在随着汽车的发展,业界也希望尾灯可以有一些更加炫酷的效果,同时还可以起到通信的作用。整个贯穿式的尾灯系统在市场的有些车型上已经开始使用了,这是现在的一个热门话题。实现贯穿式动态尾灯设计并不容易,首先看一下从过去到现在有哪些变化。CxRednc

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过去尾灯每个灯是独立控制的,使用的LED驱动是模拟驱动型的LED Drive,每个灯的组件是单独驱动的。现在需要使整个系统互动起来,就需要多个像素,像素点的数量会增加非常多。这时候LED Drive就从纯模拟的器件变成了模拟LED Drive,内部集成了大量的PWM控制以及内部LED量变控制算法的数字模型。CxRednc

TPS929120-Q1是12通道的LED Drive,每个通道可以驱动一颗、两颗或三颗LED,同时可以将多颗芯片级联在一起驱动上百颗的LED芯片。CxRednc

TPS929120还有一个特性,因为车的后箱体的距离非常长,整个贯穿式的尾灯如果要实现动态灯效,就需要通信接口,让这些灯可以非常有效的互相通信。传统方式可以用CAN或LIN,但是每一个PCB都需要一个MCU去控制,去做CAN或LIN的通信,再去驱动LED Drive,使得整个系统设计变得非常复杂。有很多软件在里面,有可能软件会跑飞,另外成本也会增加。CxRednc

因此,德州仪器在TPS929120上推出一个接口,叫做FlexWire。这是德州仪器独有的、自定义的协议,它基于UART协议,同时利用了CAN和LIN物理收发器这一层。第一,由于有CAN和LIN在里面,它保证了系统安全可靠性。第二,UART的编解码功能相对容易上手。这种借口提供长距离的通信,同时保持非常好的可靠性和EMC/EMI性能。CxRednc

另外一个挑战是:当在尾灯上采用MCU时,尾灯分布距离非常长,多个MCU和PCB板互相连接在一起,这时候会带来安全性的问题。如果灯坏了怎么办?如果MCU跑飞了怎么办?这款芯片集成了非常完整的故障诊断和报错的功能。即使在一个通道中,比如使用TPS929120的12个通道中的某一个通道去驱动两颗LED,这两颗LED中的某一颗LED短路了,这颗芯片也会报错,因此可以提供非常精确诊断的功能。CxRednc

同时它还提供了额外的保护功能,比如有可编程的故障保护,还集成了看门狗计时器,可以监控MCU故障信号。“它会监测MCU有没有定时发过来信号,如果MCU已经跑飞了,它会立刻报错,报告MCU已经出现问题。但这个时候车辆可能还在运行,不能让尾灯失效,它就会进入失效保护模式。”他表示。这种情况下尾灯可以脱离MCU继续提供基本的尾灯的功能,使得系统仍然处于安全运行的范围内。CxRednc

综合这三个挑战,多像素控制、长距离通信和安全性在TPS929120上得到了完美地实现,现在这个芯片在大量的sample阶段,即将量产。CxRednc

同样,TI也提供了参考设计。这个参考设计可以驱动48个LED,每个通道两个LED,它其实是将两颗芯片连接在一起,放置在一个板上实现的。用户可以用自己熟悉的MCU和兼容的控制芯片,同时EVM板可以实现级联,实现更多的LED效果。CxRednc

个性化内饰照明

“传统顶灯照明非常简单,就是一个开关。有的时候外面比较黑,上车后还要摸半天,才能摸到开关在什么地方。现在我们提供一个应用场景,来说明如何实现智能化和区域化的照明。比如你坐在副驾驶看书,光线不一定照在书上,但现在可以调整光线让它直接照在你的书上。如果你在移动座位或者身体,书的位置也在移动,我们可以让光跟踪书的位置,让你始终获得非常清晰的视野,同时不会影响驾驶员。”龚松介绍说。CxRednc

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实现这样的设计,首先要实现像素化的控制。TI的参考设计采用了TIDA-020012,它是高像素LED矩阵驱动模块,可以采用直驱模式驱动30颗LED,也可以采用多路复用驱动150个LED。TI使用了三颗芯片实现这个设计。CxRednc

第一颗芯片LMR33630-Q1是款3A同步降压转换器,功率密度非常大。这个芯片没有采用标准封装,而是采用了HotRod封装,没有引线,是芯片倒过来直接卡在封装里。第一,极大地提高了热效;第二,没有引线减少了EMC、EMI的干扰。CxRednc

第二颗芯片TLC6C5724-Q1有24个通道,每个通道可以输出50mA的电流。通常汽车需要的通道数比较少,8通道是最流行的,有些会用到12或16通道。而这款24通道的芯片使得大规模、矩阵化LED设计可以使用更少数量的芯片。同样,由于需要直接驱动LED,因此这款芯片具有全面的诊断和一些故障检测的功能。CxRednc

第三颗芯片是LDO TPS7B82-Q1。LDO是业界非常标准、简单的器件。这颗LDO是300mA的高压超低IQ的LDO,它的电压输入范围是3V到40V。它不但满足了前述汽车电池电压的范围,同时满足了在最恶劣的冷启动和启停条件下的运行。其静态电流特别小,为2.7μA,而通常在汽车领域使用的LDO都是几十μA甚至上百μA。这对汽车这样一个电池供电系统来说很有好处——当车主把车停在某个地方一段时间时,所有的电子设备都在消耗静态电流,它有可能把电池给用完,而2.7μA的静态电流可以使电动汽车维护待机状态的时间变长。同时其精度也很高。CxRednc

更亮的定制化小灯

“这些灯大部分用在汽车外部,它可以带来更多的便利性和舒适性。比如在车门位置做一个照明灯,一开车门就可以看到下面是不是有一个水坑、是不是有一个砖头,这样可以在黑天的时候有更清晰的视野。”龚松说。针对这个系统,TI提供了两种解决方案:一种是提供基本的功能,非常简单和便宜;二是满足高端炫酷的需求。CxRednc

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对基本的静态符号投影,该公司提供的是一颗TPS92613单通道LED驱动。它非常简单,直接连在电池和LED上就可以驱动,它有一个非常精确的恒流输出。传统客户会用一些分立方案,这种方案很简单,应用得很成熟了。但它带来的问题是,只是简单提供了一个电压或电流源。当用户需要一些安全功能的时候,或需要故障诊断或检测LED是否失效时,就需要再加器件。这使得分立方案加的器件越来越多,不光成本上不太划算,而且会增加PCB的负载。CxRednc

德州仪器提供非常简单的单通道LED的驱动,在一个非常小的封装里面满足了客户所有的需求,同时成本上没有增加。CxRednc

针对客户高端的需求,例如开门欢迎贵宾,需要展示出一个红地毯,或者,自己家里人出门,只需要照亮一下外面的路况,或者,汽车厂家需要一开门就把符号、商标投影在地上,展示品牌的个性,这时候就需要动态地进行地面投影,而使用DLP技术就实现这个功能。CxRednc

DLP技术通过DMD芯片实现,可以实现非常高像素、高分辨率的图像显示。根据系统要求可以显示图片、视频和照明应用,可以作为车主和其他人沟通的一个渠道。那么,将这样的产品用在汽车小灯上带来的挑战是什么?DLP本身不是单独就可以工作的系统,它需要光学的透镜以及光源。因此对于小型应用来说,尺寸就是非常大的挑战。CxRednc

现在,DLP模块已经小到可以放在车门上,也可以放在车的后视镜上,还可以塞在前大灯或者尾灯里作为辅助照明,作为前方专门的logo投影或者尾部的信号投影。CxRednc

透明车窗显示

“大家在路上可能看到过这样的产品,在后面的车窗上有一些显示,白天的效果可能不是特别好,晚上就可以看到。这个可以投广告——广告是一个巨大的产业,众多的搜索引擎都是靠广告来生存的。汽车行业出租车或网约车也想加入这个行列,利用投影技术是一个非常好的方式。另外可以投一些欢迎的信息,比如你打个网约车,司机在侧面的玻璃上打出欢迎某某的字样,你在路上就不用到处找车牌、判断车的颜色,看看车窗上有没有你的名字就可以了,它其实是加强了人和人之间的沟通。”龚松介绍说。CxRednc

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怎么实现呢?这里又可以使用DLP技术,但是这里所用DLP有个非常独特的特性,就是它不需要光源。“有些产品是会挑光源的,但DLP本质上是一个小镜子,什么样的光源都可以反射。所以实现玻璃上清晰的投影,需要在玻璃上贴一定的膜,以一定波长来投影光源,这样才可以显示非常清晰。不然玻璃是透明的,光就透过去了,看不到图像。”龚松解释说。CxRednc

TI采用DLP实现了这个功能。该公司有两颗芯片,都是汽车级认证的芯片。DLP3034-Q1是一颗0.3英寸DLP芯片,具有非常高的光输出效率,可提高日间信息的可视度。它支持405nm波长照明源,以及864×480分辨率。DLP5534-Q1的尺寸是0.55寸,它的分辨率更高,达1152×576,具有1.3M像素点,同时其照明光亮度是DLP3034-Q1的三倍。CxRednc

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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