LED矩陣管理器賦能高密度汽車智慧安全前照燈系統

作者：ADI 應用工程師Jason Bai

摘要

LED矩陣管理器為原始設備製造商(OEM)提供先進的前照燈系統，以增強安全性並塑造品牌差異性。該系統提供無縫整合、高性能和安全特性，並有效降低了電磁干擾(EMI)，其中還內建了對數淡入/淡出功能，並具有低 R_DS(ON)和擺率控制，確保系統以卓越狀態運行。本文所討論的，便是如何利用LED矩陣管理器提升汽車前照燈系統設計的智慧化水平。

簡介

得益於人們對安全性以及專業品牌形象的追求，智慧前照燈系統的普及率不斷提高。此類系統的年成長率為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性駕駛光束(ADB)系統。ADB系統消除了對向駕駛瞬間致盲的風險。為了進一步提高駕駛的安全性和舒適度，汽車OEM紛紛額外引入轉向燈和動態曲線燈等自適性照明功能(AFS)。

LED矩陣管理器可以高效管理矩陣和像素照明的電流，發揮著非常重要的作用。該元件通常使用6到12個整合開關控制LED電壓（高達65 V），進而可簡化設計並節省時間。其整合的MOSFET額定電壓在5 V至14 V之間，具有低導通電阻 R_DS(ON)

此外，LED矩陣管理器提供性能卓越的優化脈衝寬度調變(PWM)調光設定。這包括PWM調光狀態之間的平滑轉換，以及用於PWM調光的內部或外部時脈控制選項。

基於LED矩陣管理器調光性能的快速進步，使得安全性大幅提升，並且也提升了駕駛體驗，並增強了品牌辨識度。

LED前照燈的優點

目前，汽車的前照燈主要採用鹵素燈、氙燈或LED燈。氙燈曾經常見於高階車款，但現在LED燈越來越受歡迎，並可望迅速成為較普遍的選擇。

表1總結了上述燈型的區別。LED燈比鹵素燈亮，但不如氙燈亮。氙燈在夜晚可能過於刺眼。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。儘管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燈因為尺寸更小，因此可為汽車製造商設計前照燈時提供更高的彈性。

表1. 鹵素燈、氙燈和LED燈對比
	鹵素燈	氙燈	LED燈
亮度	低	高	中
能源效率	低	中	高
壽命	短	中	非常長
尺寸	大	大	小
價格	低	中	高

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模組(LM)，位於燈的外部，一般被稱為LED控制模組(LCM)。LCM通常採用CAN匯流排進行通訊並監控LM的狀態，比如動畫效果和亮度等。在LCM內部，LED驅動器通常採用降壓-升壓拓撲結構，以便支援不同的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。一般而言，電壓源會將電池電壓調整到較高水準（由LED的數量決定），而電流源則向LM提供一致的電流並降低升高的電壓。

Figure 1. An LED front light system. — 圖1. LED前照燈系統

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設定了不同數量和顏色的LED。這表示LCM必須提供適當的電流源來調節亮度。為了節省成本，製造商可能會將兩個或更多照明功能整合到單個LM中，例如將日間行車燈和前位元燈組合在一起。

LED矩陣管理器（如MAX25608）用於控制各個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。調光頻率由內部振盪器設定，或設定為外部時脈源。

智慧照明功能：ADB

ADB系統是一種智慧HB控制系統，可以根據駕駛情況自我調整光束模式。高亮度的遠光燈可能會分散駕駛者和行人的注意力。ADB系統的自適性能力可以自動關閉明亮的燈光或部分光束，避免使駕駛者和行人感到炫目。根據不同的前照燈解析度要求，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矩陣管理器可以輕鬆實現ADB系統，而且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是否開路或短路對於安全十分重要。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，有助於發現任何可能發生的問題。LED矩陣管理器內建短路和開路保護功能。MAX25608可追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，狀態暫存器會報告此故障。如圖3所示，開路閾值設定為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於開關開路情況的短路閾值時，會觸發LED短路故障，狀態暫存器也會報告此故障。圖4提供了一個示例，短路閾值設定為1.4 V，而開關上的電壓為2.4 V，進而觸發了LED短路故障。

Figure 2. LED fault detection. — 圖2. LED故障檢測

Figure 3. The MAX25608 LED open detection (Channel 2: Drain voltage; Channel 3: FLTB; Channel 4: LED current). — 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）

Figure 4. The MAX25608 LED short detection (Channel 2: Drain voltage; Channel 3: FLTB; Channel 4: LED current). — 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通訊協議

ADI MAX25608可在微控制器和多達16個MAX25608元件之間提供多點通用非同步接收器-變送器(UART)通訊。寫入和讀取命令示例如圖5和圖6所示。為了確保資料安全，可使用數據封包上的3位元迴圈冗餘校驗(CRC)來保護讀/寫事務。如果微控制器發送的數據封包CRC不正確，則MAX25608將不應答並放棄此次通訊。

Figure 5. An example of a write command. — 圖5. 寫入命令的示例/p>

Figure 6. An example of a read command. — 圖6. 讀取命令的示例

如果發生通訊丟失，MAX25608的UART看門狗特性會將開關設定為預配置狀態。當微控制器通訊線路處於非活動狀態的時間超過設定的時間時，故障指示燈將亮起；如果啟用了UART看門狗，則LED進入預配置狀態。如圖7所示，UART看門狗計時器設定為500 ms。當UART接收器訊號處於非活動狀態480 ms後，LED將關閉，因為預配置狀態為關閉。

Figure 7. The MAX25608 UART watchdog function (Channel 1: UART receiver; Channel 2: Drain voltage; Channel 3: FLTB; Channel 4: LED current). — 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 MAX25608提供卓越的整合度、高性能和安全性、彈性以及EMI抑制功能，例如：

高整合度：提供內建對數淡入/淡出功能，簡化LED編程並降低系統匯流排負擔。
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、短路和佈線開路。 RDS(ON)低，安全地提供高LED電流。
彈性：支援多個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和雜訊。

我們可以輕鬆評估熱性能和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。在室溫環境下僅擷取到30.4°C的溫升。

Figure 8. The MAX25608 thermal camera capture under 1.5 A condition. — 圖8. 1.5 A條件下熱像儀擷取的MAX25608熱圖像

在1 A輸出至12個LED的相同測試環境下，由於MAX25608的專有電荷泵設計，EMI結果未顯示出尖峰，如圖9所示。

Figure 9. A conducted EMI of the MAX25608. — 圖9. MAX25608的傳導EMI

MAX25608由 MAX25600H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。

Figure 10. Current spikes during dimming. — 圖10. 調光期間電流尖峰

結論

隨著汽車電氣化和智慧化趨勢的快速發展，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。照明系統必須彈性、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被視為先進的安全特性。在這些設計中，需要一個精準、高效、可靠的LED管理器來管理LED矩陣。

參考文獻

¹ Sejal Akre，「汽車智慧照明系統市場研究報告，資訊按技術（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。