為什么功能安全對汽車顯示器很重要

在特斯拉Model 3內(nèi)部，方向盤右側(cè)的15英寸觸摸屏可以訪問所有駕駛員控制，取代了目前許多其他汽車中常見的各種物理機構(gòu)和面板。隨著越來越多的汽車制造商轉(zhuǎn)向以顯示器為中心的設(shè)計，這些顯示器的功能安全性變得更加重要。本應(yīng)用筆記討論了汽車顯示器中的底層組件如何符合功能安全標準。??

介紹

當今的高分辨率車輛顯示屏顯示大量數(shù)據(jù)，從車速到導(dǎo)航，再到盲點中是否有另一輛車。分析師預(yù)計，大于8英寸的顯示器市場將強勁增長，12.3英寸顯示器在全數(shù)字儀表盤中將獲得更多牽引力。分辨率也將繼續(xù)提高，4K和最終8K將成為常態(tài)。

未來的汽車顯示器將具有局部調(diào)光等功能，可提高對比度，使色彩更加清晰生動。例如，顯示屏的黑色部分將是真正的黑色，使儀表盤更易于閱讀。預(yù)計車內(nèi)顯示器的數(shù)量將增加。我們已經(jīng)可以在現(xiàn)代車輛中數(shù)出多達 10 個顯示器：儀表盤、中央信息顯示器 （CID） （1-2）、智能后視鏡、后視鏡更換 （2）、平視顯示器 （HUD）、頭部支架上的后座支架 （2） 和車頂上的后座支架。

由于這些汽車顯示器中的大多數(shù)都通過高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和數(shù)字儀表板提供安全關(guān)鍵信息，因此它們必須符合功能安全標準。功能安全是顯示器的一個重要考慮因素，因為特別是對于ADAS等應(yīng)用，顯示器必須可靠地運行，同時為駕駛員提供清晰的視覺效果。例如，圖像凍結(jié)或太亮而無法清晰查看的顯示器是無效的。汽車電子/電氣系統(tǒng)的功能安全由ISO 26262指導(dǎo)。汽車安全完整性等級（ASIL）對汽車系統(tǒng)中的固有安全風(fēng)險進行分類，是該標準的組成部分。ASIL 有四個級別：ASIL A、ASIL B、ASIL C 和 ASIL D，其中 ASIL D 是最嚴格的。

對于汽車顯示器，包括儀表板、后視鏡更換和HUD，ASIL B合規(guī)性通常是目標。儀表盤顯示屏內(nèi)有各種模塊，應(yīng)符合 ASIL B 概述的標準。在本應(yīng)用筆記中，我們將探討如何設(shè)計其中兩個模塊，即用于電源管理的薄膜晶體管（TFT）偏置和發(fā)光二極管（LED）背光驅(qū)動器，以實現(xiàn)ASIL B合規(guī)性。

ASIL 合規(guī)性

TFT 偏置通常由 TFT 源極驅(qū)動器的 AVDD 和 NAVDD 電壓、TFT 柵極驅(qū)動器的 VGON 和 VGOFF 電壓以及液晶顯示器 （LCD） 背板的 VCOM 電壓組成（圖 1）。一個我2C 接口和故障引腳用于與主機微控制器單元 （MCU） 通信。為了達到ASIL B合規(guī)性（圖2），TFT偏置模塊理想情況下應(yīng)具有以下特性：

我2用于設(shè)備設(shè)置調(diào)整以及每個導(dǎo)軌診斷的 C 接口

故障引腳，用于提醒MCU發(fā)生故障

每個電源軌上的欠壓和過壓檢測

通過 I 具有固定或可調(diào)電壓的內(nèi)部電阻器2C 接口（外部電阻意味著更多的故障點，因此設(shè)計人員通常會避免使用它們）

冗余基準，可防止單個故障導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰

打開使能引腳以增加冗余。（當使能引腳打開時，芯片將查看另一個引腳以確定它是打開還是關(guān)閉。

圖1.典型的TFT偏置應(yīng)用。

圖2.TFT偏置，ASIL B特征。

以下是需要考慮的三種典型TFT偏置故障場景：

當 VCOM 電壓超出范圍時

當 VGON/OFF 電壓處于過壓狀態(tài)時

在故障安全操作期間，使用使能引腳開路

在涉及VCOM和VGON/OFF電壓的前兩種情況下，故障引腳將向MCU發(fā)出警報。然后，MCU將讀取寄存器以驗證情況并使用I2C 以相應(yīng)地調(diào)整電壓。在故障安全操作場景中，當使能引腳開路而FEN仍然很高時，輸出電壓將回落到默認設(shè)置。MCU可以通過I調(diào)節(jié)電壓2C 接口。

LED 背光驅(qū)動器標準

LED應(yīng)用電路的輸入通常直接連接到汽車電池，當輸出短路時，汽車電池具有電壓保護功能。輸出可以是升壓或單端初級電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC），具體取決于每串的LED數(shù)量。一個我2需要 C 接口和故障引腳才能與 MCU 通信。典型應(yīng)用電路中的LED驅(qū)動器參見圖3。

圖3.典型應(yīng)用電路中的LED驅(qū)動器。

為了符合 ASIL B 標準，LED 驅(qū)動器理想情況下應(yīng)具有以下特性：

我2用于設(shè)備設(shè)置調(diào)整和診斷的 C 接口

故障引腳，用于提醒 MCU 發(fā)生故障

每串 LED 開路或短路檢測

升壓輸出電壓測量

每串 LED 電流測量

具有固定輸出或通過 I 可調(diào)輸出的內(nèi)部電阻器2C 接口

打開啟用

用于監(jiān)視輸出的冗余參考

有關(guān)具有ASIL B功能的LED驅(qū)動器，請參見圖4。

圖4.具有 ASIL B 功能的 LED 驅(qū)動器。

對于LED驅(qū)動器，與我們的TFT偏置應(yīng)用一樣，還需要注意以下故障場景：

字符串 1 的 LED 打開。在這種情況下，故障引腳將向MCU發(fā)出警報，MCU將讀取I2C 寄存器以了解哪個 LED 串有開路。然后，MCU將向其他串泵送更多電流，以實現(xiàn)相同的亮度。

字符串 2 有一個 LED 短路。與前面的情況一樣，故障引腳將向MCU發(fā)出警報，MCU將讀取I2C 寄存器以了解哪個 LED 串短路。為了節(jié)省功耗，LED驅(qū)動器將關(guān)閉短路的燈串。然后，MCU將向其他串泵送更多電流以產(chǎn)生相同的亮度。

升壓輸出電壓較低。故障引腳再次向MCU發(fā)出警報，MCU讀取I2C 寄存器知道升壓電壓很低。通常，輸出電容接地短路，或LED接地短路。前端保護器件（如 p 溝道驅(qū)動 （PGATE） 引腳）將斷開。在這種情況下，儀表板上只會顯示速度或發(fā)動機溫度等重要消息。

具有使能引腳開路的故障安全操作。當使能引腳開路而FEN仍為高電平時，LED驅(qū)動器電流回落到默認設(shè)置。MCU可以通過I調(diào)節(jié)電流2C 接口。

TFT 偏置解決方案

許多TFT偏置IC沒有通信機制。但是，MAX20067 TFT-LCD偏置IC具有VCOM緩沖器、電平轉(zhuǎn)換器和I。2C 接口。該PMIC為TFT-LCD提供了業(yè)界首個集成電源解決方案，具有同步升壓、柵極著色和I功能。2C 協(xié)議。它的 I2C 接口提供設(shè)置控制，以及診斷和監(jiān)控。其 AVDD 升壓轉(zhuǎn)換器還包括擴頻調(diào)制功能，可降低峰值干擾并優(yōu)化電磁干擾 （EMI） 性能。

LED驅(qū)動器解決方案

背光產(chǎn)品包括MAX20444 4通道、130mA背光驅(qū)動器，帶升壓/SEPIC控制器和I2C 接口。該 IC 可接受 4.5V 至 36V 的寬輸入電壓范圍，可承受直接的汽車拋負載事件。其內(nèi)部電流模式開關(guān) DC-DC 控制器支持升壓或 SEPIC 拓撲，同時工作在 400kHz 至 2.2MHz 頻率范圍。該 IC 提供完整的診斷、多功能調(diào)光方案和增強的 EMI 性能。

總結(jié)

顯示器在車輛操作中發(fā)揮著越來越重要的作用。因此，必須確保顯示器符合功能安全標準。對于符合ASIL B標準的汽車級IC，工程師可以簡化設(shè)計流程，以實現(xiàn)高性能、可靠的顯示應(yīng)用。

審核編輯：郭婷