Soluție inovatoare pentru controlul inteligent și sigur al iluminatului frontal auto cu LED-uri de înaltă densitate

Controlerul de matrice LED (LED Matrix Manager) oferă producătorilor OEM o platformă avansată pentru sistemele de lumini frontale, care sporește siguranța rutieră și contribuie la diferențierea mărcii. Acesta asigură o integrare perfectă, performanță ridicată, funcții avansate de siguranță și o reducere eficientă a interferențelor electromagnetice (EMI). De asemenea, integrează o funcție logaritmică de fade-in/fade-out (creștere/scădere graduală a intensității luminoase), R_DS(ON) redus și control al ratei de variație (slew rate control) pentru o funcționare optimă a sistemului. Prezentul articol analizează modul în care managerul de matrice LED contribuie la creșterea nivelului de inteligență și siguranță în proiectarea sistemelor moderne de iluminat frontal pentru automobile.

Introducere

Adoptarea tot mai largă a sistemelor inteligente de iluminare frontală este determinată în principal de nevoia de siguranță și de dorința producătorilor auto de a crea identități de marcă distinctive. Aceste sisteme înregistrează o creștere anuală de 8,3%.¹ Ele includ faruri fără efect de orbire, LED-uri și iluminare matricială, care împreună formează sisteme adaptive de iluminare a drumului (ADB – Adaptive Driving Beam). Aceste sisteme ADB elimină riscul de orbire a traficului din sens opus. Pentru a îmbunătăți și mai mult siguranța și confortul șoferilor, producătorii OEM integrează funcții suplimentare de iluminare adaptivă (AFS – Adaptive Front-lighting System), cum ar fi lumina de viraj și lumina dinamică în curbe.

Nota redacției: În sistemele moderne de iluminare auto, termenii lumina de viraj și lumina dinamică în curbe descriu două funcții diferite ale farurilor adaptive (AFS – Adaptive Front-lighting System). Lumina de viraj este o funcție statică ce iluminează lateral la viteze mici, de exemplu în intersecții, în timp ce lumina dinamică în curbe este o funcție adaptivă care orientează fasciculul luminos în direcția virajului, asigurând o vizibilitate superioară în curbe.

Controlerul de matrice LED

Controlerul de matrice LED joacă un rol esențial în gestionarea eficientă a curentului pentru iluminarea matricială și pixelii LED. De obicei, acesta reglează tensiunea LED-urilor (până la 65 V) prin intermediul a 6 până la 12 switch-uri integrate, simplificând proiectarea și reducând timpul de dezvoltare. MOSFET-ul său integrat, cu o tensiune nominală între 5 V și 14 V, prezintă o rezistență R_DS(ON) redusă, permițând controlul curenților LED de până la 2 A.

În plus, controlerul de matrice LED oferă o configurare optimizată pentru modularea lățimii impulsului (PWM), asigurând performanțe excepționale. Aceasta include tranziții line între stările de modulare PWM și posibilitatea de control intern sau extern al ceasului de modulare.

Progresele rapide în performanța de modulare a controlerului de matrice LED contribuie semnificativ la creșterea siguranței, la îmbunătățirea experienței de conducere și la consolidarea identității vizuale a mărcii.

Avantajele farurilor cu LED-uri

În prezent, automobilele utilizează lămpi cu halogen, xenon sau LED-uri pentru farurile frontale. Lămpile cu xenon au fost utilizate pe scară largă, mai ales în vehiculele de lux, dar în ultimii ani lămpile cu LED-uri au devenit tot mai populare. Este foarte probabil ca acestea să devină în curând soluția dominantă pe piață.

Diferențele dintre cele trei tipuri de lămpi sunt prezentate în Tabelul 1. Lămpile cu LED-uri oferă o luminozitate mai mare decât cele cu halogen, dar nu ating nivelul de intensitate al celor cu xenon – care, de altfel, pot fi excesiv de strălucitoare în condiții de condus pe timp de noapte. De regulă, lămpile cu halogen convertesc doar aproximativ 20% din energie în lumină, în timp ce lămpile cu LED-uri ating o eficiență de până la 80%.² Chiar dacă prețul inițial al lămpilor cu LED-uri este mai ridicat, durata lor lungă de viață și eficiența energetică superioară conduc la economii semnificative pe termen lung. În plus, dimensiunile reduse ale lămpilor cu LED-uri oferă producătorilor auto o libertate sporită în proiectarea farurilor și în integrarea acestora în designul vehiculului.

Tabelul 1: Comparație între lămpile cu halogen, cu xenon și cu LED-uri

Prezentare generală a sistemului de iluminare frontală cu LED-uri

Un sistem de iluminare frontală, așa cum se arată în Figura 1, include un microcontroler, surse de tensiune, surse de curent și lămpi cu LED-uri. Microcontrolerul, denumit modul LED (LM – LED Module), este amplasat în afara lămpilor și este adesea cunoscut sub denumirea de modul de control LED (LCM – LED Control Module). LCM utilizează frecvent magistrala CAN pentru a comunica și monitoriza starea LM-ului, gestionând parametri precum animația luminii și nivelul de luminozitate. În interiorul LCM, topologiile buck-boost sunt folosite în mod obișnuit ca drivere LED, permițând adaptarea la diverse configurații ale LM-ului – de exemplu, 6 sau 12 LED-uri într-un singur modul.

În Figura 1, driverul LED din cadrul LCM include atât surse de tensiune, cât și surse de curent. De regulă, sursele de tensiune ajustează tensiunea bateriei la un nivel mai ridicat, determinat de numărul de LED-uri, în timp ce sursele de curent furnizează un curent constant către LM și reduc tensiunea amplificată.

Funcții ale sistemului de iluminare frontală al autovehiculului

Figura 1: Sistem de iluminare frontală cu LED-uri. (Sursa imaginii: ADI)

Sistemul de iluminare frontală al autovehiculului include mai multe funcții: farurile de întâlnire (LB – Low Beam), farurile de drum (HB – High Beam), luminile de zi (DRL – Daytime Running Light), luminile de poziție față (PL – Front Position Lamp) și indicatoarele de direcție. În funcție de rolul sistemului de iluminare, LM-ul este configurat cu număr și culori variabile de LED-uri, ceea ce impune ca LCM-ul să furnizeze curentul corespunzător pentru reglarea luminozității. Pentru a reduce costurile, producătorii pot integra două sau mai multe funcții de iluminare într-un singur LM – de exemplu, combinarea luminii de zi cu lumina de poziție față.

Controlerele de matrice LED, precum MAX25608, sunt utilizate pentru a controla individual LED-urile, permițând implementarea unor scenarii variate de reglare a intensității luminoase, cum ar fi efectele de bun venit (welcome lighting) sau indicatorul de direcție cu efect de deplasare (wiping indicator). Aceste controlere sunt alcătuite din mai multe switch-uri care pot fi programate independent pentru a ocoli anumite LED-uri din fiecare șir. Fiecare switch poate fi pornit complet, oprit complet sau reglat gradual, cu sau fără modul de tranziție lină (fade-in/fade-out). Frecvența de reglare a intensității luminoase poate fi stabilită de un oscilator intern sau sincronizată cu o sursă de ceas externă.

Funcție de iluminare inteligentă: ADB

Figura 2: Detectarea erorilor LED. (Sursa imaginii: ADI)

Sistemele ADB reprezintă o formă avansată de control inteligent al farurilor de drum (HB – High Beam), capabilă să regleze adaptiv distribuția fasciculului luminos în funcție de condițiile de trafic și de conducere. Fasciculul complet, de fază lungă, poate distrage atenția șoferilor sau pietonilor care vin din sens opus. Capabilitățile adaptive ale unui sistem ADB pot opri automat LED-urile corespunzătoare zonelor de risc sau pot reduce parțial intensitatea fasciculului, evitând astfel orbirea participanților la trafic. În funcție de cerințele de rezoluție ale farurilor, modulul LED (LM) al unui sistem ADB poate conține patru sau mai multe controlere de matrice LED, fiecare controlând o zonă distinctă a fasciculului luminos. Prin utilizarea unui controler de matrice LED, sistemele ADB pot fi implementate cu ușurință, permițând reglarea individuală a LED-urilor și obținerea unui control precis asupra distribuției luminii.

Detecția defectelor și protecția controlerului de matrice LED

Figura 3: Detectarea unui circuit întrerupt în MAX25608. (Canalul 2: Tensiune de drenă; Canalul 3: FLTB; Canalul 4: Curent LED). (Sursa imaginii: ADI)

Detectarea circuitelor întrerupte (open-circuit) și a scurtcircuitelor (short-circuit) în lanțul LED-urilor este esențială pentru siguranța sistemului. Un sistem cu funcții avansate de protecție reduce impactul potențial al defecțiunilor și asigură o funcționare fiabilă pe termen lung. Verificarea circuitelor întrerupte sau scurtcircuitate în cadrul sistemului de faruri permite identificarea rapidă a anomaliilor ce pot apărea în timpul funcționării. Controlerul de matrice LED oferă în mod nativ protecție împotriva scurtcircuitelor și a circuitelor întrerupte, monitorizând permanent starea fiecărui canal.

MAX25608 monitorizează activ aceste condiții de defect și le raportează în registrul de stare. O eroare de tip “circuit întrerupt” (open-circuit fault) este semnalată atunci când tensiunea dintre nodul de drenă (drain node) al switch-ului LED (vezi Figura 2) și nodul sursă (source node) al acestuia depășește pragul de detecție configurat.

Figura 4: Detectarea unui scurtcircuit LED în MAX25608. (Canalul 2: Tensiune de drenă; Canalul 3: FLTB; Canalul 4: Curent LED). (Sursa imaginii: ADI)

Așa cum este ilustrat în Figura 3, switch-ul LED prezintă o tensiune drenă–sursă de 4,88 V, ceea ce declanșează o defecțiune de tip “circuit întrerupt” la un prag de detecție setat la 4,66 V. O defecțiune de tip “scurtcircuit” (short-circuit fault) este raportată atunci când tensiunea drenă–sursă a switch-ului LED scade sub pragul de detecție aferent scurtcircuitului.

Această condiție este detectată atunci când switch-ul nu se află în stare de conducție și este, de asemenea, raportată în registrul de stare. Figura 4 prezintă un exemplu: tensiunea drenă–sursă a switch-ului LED este 2,4 V, generând o eroare de tip “scurtcircuit” când pragul este configurat la 1,4 V.

Protocol de comunicație UART

Figura 5: Exemplu de comandă de scriere. (Sursa imaginii: ADI)

Dispozitivul MAX25608 de la ADI asigură comunicații UART multidrop (Universal Asynchronous Rreceiver-Transmitter) între microcontroler și până la 16 dispozitive MAX25608. Exemple de comenzi de scriere și citire sunt prezentate în figurile 5 și 6. Pentru a garanta integritatea datelor, tranzacțiile de citire/scriere sunt protejate printr-un mecanism de verificare ciclică a redundanței (CRC) pe 3 biți per pachet. Dacă microcontrolerul transmite un pachet de date cu un CRC incorect, MAX25608 nu răspunde și respinge pachetul de comunicație.

Figura 6: Exemplu de comandă de citire. (Sursa imaginii: ADI)

În cazul întreruperii comunicației, funcția de supraveghere UART (UART watchdog) a MAX25608 setează switch-urile într-o stare preconfigurată de siguranță. Atunci când linia de comunicație a microcontrolerului rămâne inactivă o perioadă mai mare decât timpul prestabilit, indicatorul de eroare se activează, iar LED-urile trec în starea preconfigurată, dacă funcția UART watchdog este activată. După cum se observă în Figura 7, temporizatorul de supraveghere UART este setat la 500 ms. După ce semnalul receptorului UART rămâne inactiv timp de 480 ms, LED-urile se sting, întrucât starea preconfigurată este dezactivată.

Figura 7: MAX25608: Funcția de supraveghere (watchdog) UART. (Canalul 1: receptor UART; Canalul 2: tensiune de drenă; Canalul 3: FLTB; Canalul 4: curent LED). (Sursa imaginii: ADI)

Performanța controlerului de matrice LED

MAX25608 de la Analog Devices oferă un nivel ridicat de integrare, performanță și siguranță, precum și funcționalitate avansată de reducere a interferențelor electromagnetice (EMI), după cum urmează:

• Integrare: dispune de o funcție logaritmică integrată de fade-in/fade-out care simplifică programarea LED-urilor și reduce sarcina asupra magistralei de comunicație a sistemului.
• Performanță și siguranță ridicate: asigură detecția și protecția avansată împotriva defectelor LED-urilor cu circuit întrerupt sau scurtcircuit, precum și monitorizarea liniilor de conexiune. Valoarea redusă a R_DS(ON) permite conducerea în siguranță a curenților mari prin LED-uri.
• Flexibilitate: suportă conectarea mai multor circuite integrate pentru controlul unui număr extins de pixeli LED; permite configurarea liberă a grupurilor de LED-uri, de exemplu 1 șir × 12 switch-uri în serie sau 2 șiruri × 6 switch-uri în serie.
• Reducerea EMI: funcția de control al vitezei de variație (slew-rate control) diminuează interferențele EMI și zgomotul generat de comutare.

Figura 8: Captura camerei termice pentru MAX25608 la 1,5 A. (Sursa imaginii: ADI)

Indicatori de performanță

Indicatorii de performanță, cum ar fi comportamentul termic și EMI, pot fi evaluați cu ușurință. După cum se arată în Figura 8, controlerul de matrice este acționat de driverul LED boost-buck MAX25601, având toate switch-urile închise și furnizând o ieșire de 1,5 A pentru 12 LED-uri. La temperatura camerei, se observă o creștere termică de doar 30,4°C, ceea ce demonstrează eficiența ridicată a sistemului.

În același mediu de testare, cu o ieșire de 1 A către 12 LED-uri, rezultatele EMI nu prezintă vârfuri datorită designului proprietar al pompei de sarcină (charge pump) din MAX25608, așa cum se arată în Figura 9.

Figura 9: EMI condus pentru MAX25608. (Sursa imaginii: ADI)

MAX25608 este acționat de driverul LED H-bridge MAX25600 cu două LED-uri conectate pe fiecare canal. La MAX25600 este adăugat un condensator de ieșire de 4,7 μF și un filtru (1 μH + 0,1 μF). Vârful de curent este observat în timpul procesului de reglare a intensității luminoase, așa cum se observă în Figura 10.

Concluzie

Figura 10: Vârfuri de curent în timpul reglării intensității luminoase. (Sursa imaginii: ADI)

Pe măsură ce tendința de electrificare și integrare a inteligenței în vehicule se accelerează, sistemele de iluminare devin o componentă tot mai importantă în proiectarea automobilelor actuale și viitoare. Aceste sisteme se remarcă prin flexibilitate, eficiență, fiabilitate și prin posibilitatea de a crea efecte luminoase personalizate și expresive, care contribuie la identitatea vizuală a mărcii. Funcțiile ADB (Adaptive Driving Beam) și AFS (Adaptive Front-lighting System) sunt considerate caracteristici de siguranță de ultimă generație. În implementarea lor, este esențial un controler de matrice LED care să asigure precizie, eficiență și fiabilitate ridicată.

Referințe

¹ Sejal Akre. “Automotive Intelligent Lighting System Market Research Report Information by Technology (Xenon, LED, Halogen), Type of Light (IntelligentAmbient Lighting, Adaptive Headlight), Vehicle Type (Passenger, Commercial) And Region (Asia-Pacific, North America, Europe, And Rest Of The World) – Market Forecast Till 2032.“ Market Research Future, March 2024.

² “LED vs Halogen Bulbs.” DISPLAYS2GO, August 2023.

Autor: Yujie Bai, ADI

Despre autor:
Yujie Bai este inginer senior de aplicații la Analog Devices, responsabil de suportul tehnic și implementarea soluțiilor de alimentare pentru aplicații auto. S-a alăturat companiei Maxim Integrated (acum parte a Analog Devices) în 2020 și deține o diplomă de master în inginerie electrică de la Universitatea Miami (Ohio).

Glosar de termeni

• Controler de matrice LED (LED Matrix Manager) – circuit integrat care controlează individual segmentele LED pentru a gestiona intensitatea și distribuția luminii în aplicațiile auto.
• ADB (Adaptive Driving Beam) – sistem inteligent de iluminare frontală care ajustează automat fasciculul luminos pentru a evita orbirea altor participanți la trafic.
• AFS (Adaptive Front-lighting System) – sistem adaptiv care orientează fasciculul farurilor în funcție de direcția de deplasare a vehiculului.
• Switch LED – element semiconductor intern care comută curentul prin LED-uri, permițând controlul individual al acestora.
• Circuit întrerupt (open-circuit fault) – condiție în care conexiunea unui LED este întreruptă, provocând o discontinuitate în lanțul electric.
• Scurtcircuit (short-circuit fault) – situație în care LED-ul sau conexiunea asociată prezintă o rezistență foarte mică, ducând la o creștere bruscă a curentului.
• RDS(ON) – rezistența dintre drenă și sursă a unui tranzistor MOSFET aflat în stare de conducție; influențează pierderile de putere și disiparea termică.
• Pompă de sarcină (charge pump) – circuit de conversie a tensiunii care utilizează condensatori pentru a ridica sau coborî nivelul tensiunii fără componente magnetice.
• Watchdog UART – mecanism de supraveghere care detectează pierderea comunicației seriale și readuce sistemul într-o stare sigură.
• Slew-rate control – funcție care limitează viteza de variație a tensiunii în timpul comutării pentru reducerea interferențelor electromagnetice (EMI).

Analog Devices

Vizitați https://ez.analog.com