您的汽车显示器如何满足 ASIL-B 冷启动规范

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

新车型越来越多地配备用于不同功能的多个显示器（图 1 ）。这些“信息娱乐”显示器可能包括仪表盘、中央信息显示器、后视镜更换显示器和多个后座娱乐显示器。由于仪表板显示器向驾驶员提供相关的安全信息，其电子设备必须足够坚固，不仅能够承受恶劣的汽车环境（冷/热启动、负载突降、启动/停止），而且还包含满足汽车安全所需的额外诊断功能完整性等级 (ASIL) 安全标准，具有低电磁干扰 (EMI) 以减少对车辆中多个射频接收器的干扰，并且足够小以在同一空间内安装其他电子设备。

该设计解决方案回顾了 TFT-LCD 背光设计的主要挑战，重点是它们如何满足 ASIL 安全标准。我们还研究了它们如何在电池电压低（冷启动）的情况下运行而不会显示闪烁，同时保持低 EMI 和更小的尺寸。然后，它介绍了满足这些标准的 TFT-LCD 背光驱动器 IC。

功能安全 (ASIL)

ISO-26262 是一项推动功能安全要求的法规。它解决了由电气安全相关系统的故障行为引起的可能危害，包括这些系统的相互作用。系统所需的功能安全级别按系统的 ASIL 等级分类，范围从 A 级到 D 级。D 级需要最稳健的系统。系统的 ASIL 等级取决于潜在伤害的严重程度、故障的可控性以及发生故障时所面临的风险。符合 ASIL 标准的 IC 包括性能分析。他们使用更严格的保护和准确性，并有多余的参考。它们在开路引脚和监控电路上具有故障保护功能，以提供使系统合规所需的检测、诊断和验证。我的整合IC 的2 C 通信能力有助于控制和诊断。示例诊断包括：

输出过压/欠压检测

内部存储器上的纠错（如果存在）

用于错误检测/纠正的任何接口上的奇偶校验位或循环冗余校验 (CRC)

将这些功能包含在单个 IC 中使系统能够更轻松地达到 ASIL-B 完整性级别。

冷启动规格

当环境温度过低时会发生冷启动，从而降低电池的供电能力，从而导致电池电压低于启动发动机所需的大电流。显示器在冷启动下的电子操作对于避免闪烁至关重要。

图 2显示了 ISO 16750-2 中的典型冷启动时序图。它规定电池在 2.8 V（最坏情况）下运行 15 毫秒，然后恢复到 6 V 值，该值可能会保持几秒钟。由于组合仪表显示屏在启动时已经可以运行，因此 TFT-LCD 背光灯在此精确点正确运行非常重要。

图 2：符合 ISO 16750-2，III 级的冷启动细节

满足此规范具有挑战性。TFT-LCD 背光驱动器需要持续的 5V 电压来驱动外部升压 MOSFET，但在冷车发动期间，电池电压无法支持 5V 操作。一个典型的解决方案是将这个问题传递给其他人。

在一种解决方案中，背光芯片具有专用引脚，以便系统设计人员可以将外部 5 V 电压馈送到驱动器。如果没有可用的外部 5V 电源轨，则需要将另一个 IC（例如具有足够保持能力的低压差 (LDO) 稳压器）添加到材料清单 (BOM) 中。这会导致额外的成本和更大的 PCB 面积。

如果存在外部电源轨但电压太低，则提供内部电荷泵，但需要额外的硅片和必须执行升压的额外外部电容器。在所有情况下，可用的解决方案似乎最多只能满足典型的 3V 曲柄规格，而不是 2.8V 的最低要求。

小尺寸

高度集成对于减小组件尺寸以在相同空间内安装更多电子设备并降低成本是必要的。先进的单片工艺有助于减小管芯尺寸并允许使用更小的封装。片上附加功能的集成减少了整体 BOM，并最大限度地减少了 PCB 尺寸和成本。

迎接挑战

例如，图 3中的MAX25024是一款四通道背光驱动 IC，带有用于汽车显示器的升压控制器。四个集成 LED 电流输出每个可吸收高达 150 mA 的电流，从而允许 IC 为 8 英寸电源供电。或 10 英寸。背光显示。输出引脚 (BOOST) 可承受高达 52V 的电压。该器件还接受宽输入电压范围，可承受高达 40V 的汽车抛负载事件。

图 3：带升压控制器的四通道背光驱动器

背光驱动器 IC 具有 I 2 C 控制的脉宽调制 (PWM) 调光和混合调光功能。在任何一种情况下，最小脉冲宽度都是 500 ns。结合了串的相移调光和扩频以降低 EMI。该 IC 采用 24 引脚 TQFN 或 24 引脚侧面可湿性 TQFN (SWTQFN) 封装，工作温度范围为 –40°C 至 125°C。

符合 ASIL-B 规范

全面的诊断信息可通过 MAX25024 I 2 C 接口获得，以简化在需要 ASIL-B 合规性的系统中的集成。ASIL-B 系统的功能包括电压参考冗余、每个灯串上的单个 LED 电流测量、升压输入电流测量、升压输出电压测量、LED 开路/短路检测和保护，以及升压输出欠压和过压。

超过冷启动规格

MAX25024 接受 2.5-V 至 36-V 的宽输入电压范围，满足并超过 2.8-V 最小冷启动规范。独特的电路架构（图 4）使 IC 能够达到这种性能水平。板载 LDO 通常由电池（IN 引脚）供电，为驱动器 (DR) 提供 5 V 电压。当检测到欠压尖峰时，LDO 输入切换到输出（BOOST 引脚）。输出电容器 (C OUT ) 现在可以在 15 毫秒的指定冷启动期间维持 LDO 操作。

图 4：冷启动期间的 5V LDO 偏置

图 5显示了一个 2.5V、100ms 的冷启动尖峰（见黄色曲线），它不影响输出电压 (V BOOST ) 和 LED 电流。因此，故障标志 (FLTB) 保持无效。

图 5：冷启动测试：9 个 LED/灯串，100 mA/灯串 × 4，400 kHz，V IN = 2.5 V (100 ms)

板载 LDO 消耗最少的功率，并且封装的低热阻确保了非常低的结温。在图 6中，左图显示曲柄前的 IC 温度为 39.8°C，电池电压为 12V。右图显示 IC 温度在 100 毫秒内降至 2.5 V 后立即为 40.3°C，净温升小于 1°C。

图 6：每串 9 个 LED、100 mA/串 × 4、400 kHz 的 IC 温度在 100-ms 启动前后

低 EMI

MAX25024还根据EMI CISPR25 Class 5规范进行了电磁辐射测试。例如，图 7显示了使用 200-MHz 至 1-GHz 对数周期（水平）天线执行的众多 EMI 测试之一。IC 的发射水平远低于限值。

图 7：满足 CISPR25 Class 5 EMI 规范

减小尺寸和成本

高集成度可在小型 4 × 4-mm TQFN 封装中实现多种功能。竞争对手的器件采用 7 × 7-mm 封装，PCB 尺寸占用率增加了 3 倍。在输出短路的情况下，外部 NMOS 开关会断开电池与输出的连接。NMOS 通过集成电荷泵开启，避免使用额外的引脚或外部电容器。

与竞争对手解决方案中的大型 PMOSFET 相比，这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。这些优势使 PCB 尺寸比其他解决方案小 45%。

结论

TFT-LCD 显示器在现代汽车中无处不在。它们的背光必须在恶劣的条件下工作，满足功能安全要求，并且尺寸要小。我们讨论了现有解决方案的缺点，并展示了一种新的经济高效的背光驱动器 IC，即 MAX25024，它不仅满足 ASIL-B 功能，而且超过冷启动规范，并且具有低 EMI，所有这些都在一个小封装中。

关于作者：

Szukang Hsien 是 Maxim Integrated 的汽车显示电源和手势解决方案执行业务经理。在加入 Maxim 之前，他在德州仪器 (TI) 工作了 9 年，首先担任混合信号设计师，然后担任汽车信息娱乐系统营销工程师和高压 DC/DC 产品战略营销经理。他拥有六项美国专利，并发表了八篇技术/会议论文。“重新定义可能性”是他的座右铭。

Nazzareno (Reno) Rossetti 是 Maxim Integrated 的模拟和电源管理专家。他是一位出版作家，并拥有该领域的多项专利。Reno 拥有意大利都灵理工大学的电气工程博士学位。

审核编辑 黄昊宇