您的汽車(chē)顯示器如何滿(mǎn)足 ASIL-B 冷啟動(dòng)規(guī)范

作者：Szukang Hsien 和 Nazzareno (Reno) Rossetti，Maxim Integrated

新車(chē)型越來(lái)越多地配備用于不同功能的多個(gè)顯示器（圖 1 ）。這些“信息娛樂(lè)”顯示器可能包括儀表盤(pán)、中央信息顯示器、后視鏡更換顯示器和多個(gè)后座娛樂(lè)顯示器。由于儀表板顯示器向駕駛員提供相關(guān)的安全信息，其電子設(shè)備必須足夠堅(jiān)固，不僅能夠承受惡劣的汽車(chē)環(huán)境（冷/熱啟動(dòng)、負(fù)載突降、啟動(dòng)/停止），而且還包含滿(mǎn)足汽車(chē)安全所需的額外診斷功能完整性等級(jí) (ASIL) 安全標(biāo)準(zhǔn)，具有低電磁干擾 (EMI) 以減少對(duì)車(chē)輛中多個(gè)射頻接收器的干擾，并且足夠小以在同一空間內(nèi)安裝其他電子設(shè)備。

該設(shè)計(jì)解決方案回顧了 TFT-LCD 背光設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)，重點(diǎn)是它們?nèi)绾螡M(mǎn)足 ASIL 安全標(biāo)準(zhǔn)。我們還研究了它們?nèi)绾卧陔姵仉妷旱停ɡ鋯?dòng)）的情況下運(yùn)行而不會(huì)顯示閃爍，同時(shí)保持低 EMI 和更小的尺寸。然后，它介紹了滿(mǎn)足這些標(biāo)準(zhǔn)的 TFT-LCD 背光驅(qū)動(dòng)器 IC。

功能安全 (ASIL)

ISO-26262 是一項(xiàng)推動(dòng)功能安全要求的法規(guī)。它解決了由電氣安全相關(guān)系統(tǒng)的故障行為引起的可能危害，包括這些系統(tǒng)的相互作用。系統(tǒng)所需的功能安全級(jí)別按系統(tǒng)的 ASIL 等級(jí)分類(lèi)，范圍從 A 級(jí)到 D 級(jí)。D 級(jí)需要最穩(wěn)健的系統(tǒng)。系統(tǒng)的 ASIL 等級(jí)取決于潛在傷害的嚴(yán)重程度、故障的可控性以及發(fā)生故障時(shí)所面臨的風(fēng)險(xiǎn)。符合 ASIL 標(biāo)準(zhǔn)的 IC 包括性能分析。他們使用更嚴(yán)格的保護(hù)和準(zhǔn)確性，并有多余的參考。它們?cè)陂_(kāi)路引腳和監(jiān)控電路上具有故障保護(hù)功能，以提供使系統(tǒng)合規(guī)所需的檢測(cè)、診斷和驗(yàn)證。我的整合IC 的2 C 通信能力有助于控制和診斷。示例診斷包括：

輸出過(guò)壓/欠壓檢測(cè)

內(nèi)部存儲(chǔ)器上的糾錯(cuò)（如果存在）

用于錯(cuò)誤檢測(cè)/糾正的任何接口上的奇偶校驗(yàn)位或循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC)

將這些功能包含在單個(gè) IC 中使系統(tǒng)能夠更輕松地達(dá)到 ASIL-B 完整性級(jí)別。

冷啟動(dòng)規(guī)格

當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)會(huì)發(fā)生冷啟動(dòng)，從而降低電池的供電能力，從而導(dǎo)致電池電壓低于啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)所需的大電流。顯示器在冷啟動(dòng)下的電子操作對(duì)于避免閃爍至關(guān)重要。

圖 2顯示了 ISO 16750-2 中的典型冷啟動(dòng)時(shí)序圖。它規(guī)定電池在 2.8 V（最壞情況）下運(yùn)行 15 毫秒，然后恢復(fù)到 6 V 值，該值可能會(huì)保持幾秒鐘。由于組合儀表顯示屏在啟動(dòng)時(shí)已經(jīng)可以運(yùn)行，因此 TFT-LCD 背光燈在此精確點(diǎn)正確運(yùn)行非常重要。

圖 2：符合 ISO 16750-2，III 級(jí)的冷啟動(dòng)細(xì)節(jié)

滿(mǎn)足此規(guī)范具有挑戰(zhàn)性。TFT-LCD 背光驅(qū)動(dòng)器需要持續(xù)的 5V 電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)外部升壓 MOSFET，但在冷車(chē)發(fā)動(dòng)期間，電池電壓無(wú)法支持 5V 操作。一個(gè)典型的解決方案是將這個(gè)問(wèn)題傳遞給其他人。

在一種解決方案中，背光芯片具有專(zhuān)用引腳，以便系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以將外部 5 V 電壓饋送到驅(qū)動(dòng)器。如果沒(méi)有可用的外部 5V 電源軌，則需要將另一個(gè) IC（例如具有足夠保持能力的低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器）添加到材料清單 (BOM) 中。這會(huì)導(dǎo)致額外的成本和更大的 PCB 面積。

如果存在外部電源軌但電壓太低，則提供內(nèi)部電荷泵，但需要額外的硅片和必須執(zhí)行升壓的額外外部電容器。在所有情況下，可用的解決方案似乎最多只能滿(mǎn)足典型的 3V 曲柄規(guī)格，而不是 2.8V 的最低要求。

小尺寸

高度集成對(duì)于減小組件尺寸以在相同空間內(nèi)安裝更多電子設(shè)備并降低成本是必要的。先進(jìn)的單片工藝有助于減小管芯尺寸并允許使用更小的封裝。片上附加功能的集成減少了整體 BOM，并最大限度地減少了 PCB 尺寸和成本。

迎接挑戰(zhàn)

例如，圖 3中的MAX25024是一款四通道背光驅(qū)動(dòng) IC，帶有用于汽車(chē)顯示器的升壓控制器。四個(gè)集成 LED 電流輸出每個(gè)可吸收高達(dá) 150 mA 的電流，從而允許 IC 為 8 英寸電源供電?；?10 英寸。背光顯示。輸出引腳 (BOOST) 可承受高達(dá) 52V 的電壓。該器件還接受寬輸入電壓范圍，可承受高達(dá) 40V 的汽車(chē)拋負(fù)載事件。

圖 3：帶升壓控制器的四通道背光驅(qū)動(dòng)器

背光驅(qū)動(dòng)器 IC 具有 I 2 C 控制的脈寬調(diào)制 (PWM) 調(diào)光和混合調(diào)光功能。在任何一種情況下，最小脈沖寬度都是 500 ns。結(jié)合了串的相移調(diào)光和擴(kuò)頻以降低 EMI。該 IC 采用 24 引腳 TQFN 或 24 引腳側(cè)面可濕性 TQFN (SWTQFN) 封裝，工作溫度范圍為 –40°C 至 125°C。

符合 ASIL-B 規(guī)范

全面的診斷信息可通過(guò) MAX25024 I 2 C 接口獲得，以簡(jiǎn)化在需要 ASIL-B 合規(guī)性的系統(tǒng)中的集成。ASIL-B 系統(tǒng)的功能包括電壓參考冗余、每個(gè)燈串上的單個(gè) LED 電流測(cè)量、升壓輸入電流測(cè)量、升壓輸出電壓測(cè)量、LED 開(kāi)路/短路檢測(cè)和保護(hù)，以及升壓輸出欠壓和過(guò)壓。

超過(guò)冷啟動(dòng)規(guī)格

MAX25024 接受 2.5-V 至 36-V 的寬輸入電壓范圍，滿(mǎn)足并超過(guò) 2.8-V 最小冷啟動(dòng)規(guī)范。獨(dú)特的電路架構(gòu)（圖 4）使 IC 能夠達(dá)到這種性能水平。板載 LDO 通常由電池（IN 引腳）供電，為驅(qū)動(dòng)器 (DR) 提供 5 V 電壓。當(dāng)檢測(cè)到欠壓尖峰時(shí)，LDO 輸入切換到輸出（BOOST 引腳）。輸出電容器 (C OUT ) 現(xiàn)在可以在 15 毫秒的指定冷啟動(dòng)期間維持 LDO 操作。

圖 4：冷啟動(dòng)期間的 5V LDO 偏置

圖 5顯示了一個(gè) 2.5V、100ms 的冷啟動(dòng)尖峰（見(jiàn)黃色曲線），它不影響輸出電壓 (V BOOST ) 和 LED 電流。因此，故障標(biāo)志 (FLTB) 保持無(wú)效。

圖 5：冷啟動(dòng)測(cè)試：9 個(gè) LED/燈串，100 mA/燈串 × 4，400 kHz，V IN = 2.5 V (100 ms)

板載 LDO 消耗最少的功率，并且封裝的低熱阻確保了非常低的結(jié)溫。在圖 6中，左圖顯示曲柄前的 IC 溫度為 39.8°C，電池電壓為 12V。右圖顯示 IC 溫度在 100 毫秒內(nèi)降至 2.5 V 后立即為 40.3°C，凈溫升小于 1°C。

圖 6：每串 9 個(gè) LED、100 mA/串 × 4、400 kHz 的 IC 溫度在 100-ms 啟動(dòng)前后

低 EMI

MAX25024還根據(jù)EMI CISPR25 Class 5規(guī)范進(jìn)行了電磁輻射測(cè)試。例如，圖 7顯示了使用 200-MHz 至 1-GHz 對(duì)數(shù)周期（水平）天線執(zhí)行的眾多 EMI 測(cè)試之一。IC 的發(fā)射水平遠(yuǎn)低于限值。

圖 7：滿(mǎn)足 CISPR25 Class 5 EMI 規(guī)范

減小尺寸和成本

高集成度可在小型 4 × 4-mm TQFN 封裝中實(shí)現(xiàn)多種功能。競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的器件采用 7 × 7-mm 封裝，PCB 尺寸占用率增加了 3 倍。在輸出短路的情況下，外部 NMOS 開(kāi)關(guān)會(huì)斷開(kāi)電池與輸出的連接。NMOS 通過(guò)集成電荷泵開(kāi)啟，避免使用額外的引腳或外部電容器。

與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手解決方案中的大型 PMOSFET 相比，這里使用了小型且具有成本效益的 NMOSFET，以最小化 BOM 尺寸和成本。這些優(yōu)勢(shì)使 PCB 尺寸比其他解決方案小 45%。

結(jié)論

TFT-LCD 顯示器在現(xiàn)代汽車(chē)中無(wú)處不在。它們的背光必須在惡劣的條件下工作，滿(mǎn)足功能安全要求，并且尺寸要小。我們討論了現(xiàn)有解決方案的缺點(diǎn)，并展示了一種新的經(jīng)濟(jì)高效的背光驅(qū)動(dòng)器 IC，即 MAX25024，它不僅滿(mǎn)足 ASIL-B 功能，而且超過(guò)冷啟動(dòng)規(guī)范，并且具有低 EMI，所有這些都在一個(gè)小封裝中。

關(guān)于作者：

Szukang Hsien 是 Maxim Integrated 的汽車(chē)顯示電源和手勢(shì)解決方案執(zhí)行業(yè)務(wù)經(jīng)理。在加入 Maxim 之前，他在德州儀器 (TI) 工作了 9 年，首先擔(dān)任混合信號(hào)設(shè)計(jì)師，然后擔(dān)任汽車(chē)信息娛樂(lè)系統(tǒng)營(yíng)銷(xiāo)工程師和高壓 DC/DC 產(chǎn)品戰(zhàn)略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理。他擁有六項(xiàng)美國(guó)專(zhuān)利，并發(fā)表了八篇技術(shù)/會(huì)議論文。“重新定義可能性”是他的座右銘。

Nazzareno (Reno) Rossetti 是 Maxim Integrated 的模擬和電源管理專(zhuān)家。他是一位出版作家，并擁有該領(lǐng)域的多項(xiàng)專(zhuān)利。Reno 擁有意大利都靈理工大學(xué)的電氣工程博士學(xué)位。

審核編輯 黃昊宇