În această soluție de proiectare, vă vom arăta cum un display TFT-LCD cu iluminare din spate poate satisface cele mai dure cerințe din industria automobilelor. Vom demonstra modul în care driverul MAX25024 pentru controlul iluminării din spate utilizat în industria auto, oferă diagnosticare completă, capabilitate I2C și redundanță a circuitelor critice, respectând în același timp cerințele ASIL-B de siguranță funcțională. O proiectare inteligentă permite circuitului MAX25024 să îndeplinească și să depășească specificația cold-crank pentru funcționarea afișajului fără pâlpâire (n.red.: cold-crank se referă la curentul necesar pentru a porni un motor care a fost lăsat să se răcească la temperatura mediului. În funcție de temperatură, o baterie va trebui să ofere un curent suficient de ridicat pentru a porni mașina.). Înalta integrare aduce beneficii importante, precum dimensiuni mici ale capsulei, costuri reduse ale componentelor și un PCB compact.
Introducere
Noile modele de automobile sunt echipate cu din ce în ce mai multe display-uri (figura 1) pentru diferite funcții.
Figura 1. Afișaje multiple dispuse în interiorul mașinii ▶▶
Aceste afișaje de tip “infotainment” pot include un grup de instrumente, un display central de informații, afișaje pentru oglinzi și multe alte tipuri de terminale de divertisment integrate în scaunele din spate. Întrucât grupul de instrumente dispus pe panoul de bord oferă șoferului informații relevante privind siguranța, electronica acestuia trebuie să fie suficient de robustă pentru a face față unui mediu auto dur (cold/hot crank, discontinuități ale alimentării, pornire/oprire), precum și să integreze diagnosticare suplimentară, conformă standardelor de siguranță ASIL (Automotive Safety Integrity Level), să ofere interferență electromagnetică (EMI) scăzută pentru a reduce interferența cu multiplele receptoare RF din vehicul și să aibă un gabarit suficient de mic pentru a putea introduce electronică suplimentară în același spațiu.
Această soluție de proiectare examinează principalele provocări ale dispozitivelor TFT-LCD cu iluminare din spate, cu accent pe modul în care acestea pot îndeplini standardele de siguranță ASIL. De asemenea, examinăm maniera prin care acestea pot opera fără variații de iluminare în prezența tensiunii scăzute a bateriei (cold crank), menținând în același timp o interferență EMI redusă și un gabarit mai mic. Apoi vom prezenta un driver IC (circuit integrat) de display TFT-LCD cu iluminare din spate, care corespunde acestor criterii.
Siguranța funcțională (ASIL)
ISO-26262 (ISO – Organizația Internațională de Standardizare) este un standard care determină cerințele privind siguranța funcțională. Acesta abordează posibile pericole cauzate de comportarea defectuoasă a sistemelor electrice legate de siguranță, incluzând interacțiunea dintre aceste sisteme. Nivelul de siguranță funcțională necesar unui sistem electric este clasificat în funcție de ratingul ASIL al sistemului, care variază de la nivelul A la nivelul D. Nivelul D necesită cel mai robust sistem posibil. Evaluarea ASIL a unui sistem este determinată de gravitatea accidentelor ce pot avea loc, managementul eșecului și expunerea la riscuri în cazul în care apare un defect.
Circuitele integrate (IC-urile) compatibile ASIL includ analize de performanță. Acestea folosesc un nivel de protecție și acuratețe mai strict și au referințe redundante. Circuitele dispun de autoprotecție pentru pinii neconectați și de circuite de supraveghere pentru a asigura detecția, diagnosticarea și validarea necesară pentru conformitatea sistemelor. Integrarea capabilității de comunicare I2C în circuitele integrate facilitează controlul și diagnosticarea. Mostre de diagnosticare includ:
• Detecție supratensiune/subtensiune pe ieșiri
• Corecția erorilor din memoria internă, în cazul în care există
• Bit de paritate sau CRC (verificare ciclică redundantă) pe orice interfață, pentru detectarea/corectarea erorilor.
Includerea acestor funcții într-un singur IC îi permit sistemului să atingă mai ușor nivelul de integritate ASIL-B.
Figura 2: Detaliu asupra tensiunii de pornire la rece (Cold-Crank) din ISO 16750-2, Nivel III
Specificația Cold-Crank
Cold-Crank apare atunci când temperatura ambiantă este așa de scăzută, încât diminuează capacitatea bateriei de a furniza energie, ceea ce face ca tensiunea bateriei să scadă din cauza curentului mare necesar pentru a porni motorul. Funcționarea fiabilă a electronicii afișajului la pornirea la rece a autovehiculului este esențială pentru a evita pâlpâirea ecranului (flikering).
Figura 2 prezintă o diagramă tipică de temporizare Cold-Crank din standardul ISO 16750-2. Acesta specifică o cădere a tensiunii bateriei până la 2.8V (în cel mai rău caz) timp de 15ms, înainte de întoarcerea la o valoare de 6V, la care ar putea rămâne timp de câteva secunde. Deoarece afișarea panoului de bord este deja operațională la comutarea contactului, este important ca iluminarea din spate a display-ului TFT-LCD să funcționeze corect în acest punct.
Respectarea acestei specificații este o provocare. Driverul afișajului TFT-LCD cu iluminare din spate are nevoie de o tensiune continuă de 5V pentru a deschide MOSFET-ul extern de comandă, dar în timpul pornirii la rece, tensiunea bateriei nu poate furniza valoarea de 5V. O soluție tipică a fost aceea de a transmite altui dispozitiv această problemă.
Una dintre soluții presupune ca cipul de backlight să aibă un pin dedicat, astfel încât proiectantul de sistem să poată alimenta driverul cu 5V din exterior. Dacă nu este disponibilă o linie de alimentare externă de 5V, trebuie să se adauge la BOM (Lista de componente – Bill of Materials) un alt circuit integrat, de exemplu un LDO (regulator de tensiune) cu o capacitate de alimentare suficientă. Va rezulta un cost suplimentar și o suprafață mai mare a PCB-ului. Dacă traseul de alimentare extern este prezent, dar are un nivel scăzut de tensiune, se utilizează un circuit de încărcare intern (va apărea o componentă în plus în sistem, care crește costul) și condensatoare externe suplimentare, care trebuie să efectueze ridicarea nivelului de tensiune. În toate cazurile, soluțiile disponibile îndeplinesc cel mai bine specificația tipică crank pentru tensiunea de 3V, dar nu și la cerința minimă de 2,8V.
Gabarit redus
Este necesar un nivel înalt de integrare pentru a reduce dimensiunea componentelor (astfel încât să poată să fie adăugate dispozitive electronice suplimentare în același spațiu) și pentru a minimiza costurile. Procesele monolitice avansate ajută la reducerea dimensiunii pastilei de siliciu și permit utilizarea unei capsule mai mici. Integrarea de funcții suplimentare direct în cip reduce lista de componente și, implicit, micșorează dimensiunea PCB-ului și costul sistemului.
Figura 3: Driverul de backlight cu 4 canale și controler ridicător de tensiune (boost controller)
Soluționarea provocării
De exemplu, circuitul MAX25024 din figura 3, utilizat pentru display-urile din industria auto, este un driver IC de backlight cu 4 canale, cu un controler ridicător de tensiune. Cele patru ieșiri integrate de curent pentru LED-uri pot livra până la 150mA fiecare, permițând circuitului să alimenteze un display cu iluminare din spate de 8- sau 10-inch. Pinul de ieșire (BOOST) poate susține până la 52V. De asemenea, dispozitivul acceptă o gamă largă a tensiunii de intrare și suportă căderi ale tensiunii de alimentare (evenimente care apar în industria auto) de până la 40V.
Figura 4: Menținerea tensiunii de 5V de către LDO în timpul pornirii la rece a automobilului (Cold Crank)
Circuitul MAX25024 dispune de reglaj al iluminării, realizat cu ajutorul unui semnal PWM (modulare în lățimea pulsurilor), controlat prin I2C și de reglaj hibrid. În ambele cazuri, lățimea minimă a pulsului este de 500ns. Pentru o interferență electromagnetică (EMI) redusă sunt încorporate un reglaj prin variație de fază pentru șiruri de LED-uri și o tehnică de modulare cu spectru împrăștiat. Circuitul este disponibil într-o capsulă TQFN cu 24-pini sau TQFN (SWTQFN) cu 24-pini ‘side-wettable’ și operează într-un interval de temperatură de la -40°C până la +125°C.
Respectarea specificațiilor ASIL-B
Informații complete de diagnosticare sunt disponibile prin interfața I2C a circuitului MAX25024 pentru a facilita integrarea în sistemele care trebuie să fie conforme cu clasificarea ASIL-B. Caracteristicile pentru sistemele ASIL-B includ redundanța referinței de tensiune, măsurarea individuală a curentului consumat de LED-uri pe fiecare șir, măsurarea intensității curentului de intrare, măsurarea nivelului tensiunii de ieșire, detecția și protecția la scurtcircuit/întrerupere a LED-urilor, precum și la sub-tensiune și supratensiune la ieșire.
Depășirea specificațiilor Cold-Crank
Figura 5: Cold-Crank Test: 9 LED-uri/Șir, 100mA/Șir × 4, 400kHz, VIN = 2.5V (100ms)
MAX25024 acceptă o gamă largă a tensiunii de intrare, de la 2.5V la 36V, care îndeplinește și depășește specificația minimă Cold-Crank de 2.8V. O arhitectură unică a circuitului (vezi figura 4) permite dispozitivului să atingă acest nivel de performanță. Un LDO integrat, alimentat în mod normal de la baterie (pinul IN), livrează 5V driverului (DR). Atunci când este detectat un nivel minim de tensiune, intrarea LDO este comutată la o ieșire externă (pinul BOOST). Condensatorul de ieșire (COUT) poate acum susține operarea LDO-ului pentru o perioadă de minim 15ms, conform specificației cold crank.
Figura 5 prezintă o cădere a tensiunii la 2.5V pentru o durată cold-crank de 100ms (vezi curba galbenă) care nu afectează tensiunea de ieșire (VBOOST) și nici curentul prin LED. În consecință, indicatorul de eroare (FLTB) rămâne inactiv.
Figura 6: Temperaturile circuitului integrat cu 9 LED-uri/Șir, 100mA/Șir × 4, 400kHz Înainte și După un Cold Crank de 100ms
LDO-ul integrat are un consum minim de putere, iar rezistența termică joasă a capsulei asigură o temperatură de joncțiune foarte mică. În figura 6, imaginea din stânga prezintă o temperatură a circuitului integrat de 39.8°C înainte de cold-crank, cu o tensiune a bateriei de 12V. Imaginea din dreapta prezintă o temperatură a circuitului de 40.3°C, imediat după o cădere de tensiune până la 2.5V, pentru o durată cold-crank de 100ms, reprezentând o creștere netă a temperaturii mai mică de 1°C.
Interferență electromagnetică redusă
MAX25024 este, de asemenea, testat pentru radiații electromagnetice conform specificațiilor EMI CISPR25 Clasă 5. De exemplu, Figura 5 prezintă unul dintre numeroasele teste EMI care au fost efectuate cu o antenă logaritmic-periodică (orizontală) cu o frecvență de la 200 MHz până la 1 GHz. Nivelurile de emisie ale circuitului integrat sunt mult sub limită.
Dimensiuni și costuri reduse
Figura 7: Respectarea specificațiilor CISPR25 EMI Clasă 5
Un nivel înalt de integrare include funcții multiple într-o capsulă TQFN mică, de numai 4mm × 4mm. Dispozitivele concurente din aceeași gamă utilizează o capsulă de 7mm × 7mm, ceea ce reprezintă o creștere de 3 ori a gradului de ocupare a plăcuței de PCB. Comutatorul extern NMOS deconectează bateria de la ieșire în cazul unei ieșiri scurtcircuitate. Dispozitivul NMOS este pornit cu ajutorul unui circuit de încărcare integrat, evitând utilizarea unor pini suplimentari sau a unor condensatoare externe. Un NMOSFET mic și cost-eficient, spre deosebire de PMOSFET-ul de dimensiuni mari găsit în soluțiile concurente, este folosit aici pentru a reduce dimensiunea și costul BOM. Aceste avantaje oferă o reducere a dimensiunii PCB-ului cu 45%, spre deosebire alte soluții.
Concluzie
Display-urile TFT-LCD sunt omniprezente în automobilele moderne. Iluminarea din spate a acestora trebuie să opereze în condiții dure, să îndeplinească cerințele de siguranță funcțională și să aibă dimensiuni reduse. Am discutat despre deficiențele soluțiilor existente și am prezentat un nou (și foarte eficient din punct de vedere al costurilor) circuit integrat de comandă a iluminării din spate pentru display-uri – MAX25024 – care nu numai că îndeplinește funcționalitatea ASIL-B, dar depășește specificația cold-crank, are un EMI scăzut, este disponibil într-o capsulă de mici dimensiuni și .
DESPRE AUTORI
Szukang Hsien este Executive Business Manager pentru soluții de alimentare a display-urilor și de control al gesturilor din industria auto la Maxim Integrated. Înainte de Maxim, a lucrat timp de 9 ani la Texas Instruments, mai întâi ca proiectant de soluții de semnal mixt, apoi ca inginer de marketing pentru sisteme de infotainment din industria auto și, în final, manager de marketing strategic pentru produse DC-DC de înaltă tensiune. Are 6 brevete americane și a publicat 8 articole pentru publicații tehnice/conferințe. Deviza lui este „Redefinirea posibilului”.
Nazzareno (Reno) Rossetti este expert în managementul soluțiilor analogice și de alimentare la Maxim Integrated. Este un autor de articole tehnice recunoscut și deține mai multe brevete în acest domeniu. Reno deține titlul de doctor în inginerie electrică obținut la Politecnico di Torino, Italia.
