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Farbenvielfalt ohne OLED-Technik

Local Dimming in Displays für sicherheitsrelevante Systeme

29. April 2019, 13:30 Uhr | Von Szukang Hsien

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Kriterien für die funktionale Sicherheit von Fahrzeugdisplays

Die ISO 26262 ist eine internationale Norm für sicherheitskritische Komponenten in Fahrzeugsystemen. Sie umfasst eine Reihe von Schritten zum Management der funktionalen Sicherheit während des gesamten Produktentwicklungsprozesses, die die Hardware-, Software- und Systemebene abdecken. Der Automotive Safety Integrity Level (ASIL), der das inhärente Sicherheitsrisiko eines Fahrzeugsystems klassifiziert, ist ein wesentlicher Bestandteil der Erfüllung der ISO 26262. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die gängigen ASIL-Metriken.

Anstatt sich auf die in einem System verwendeten Techniken zu konzentrieren, liegt der Fokus von ASIL auf dem Potenzial für eine Gefährdung des Fahrers und anderer Verkehrsteilnehmer. Es gibt vier ASIL-Stufen, die sich durch Schwere (der Verletzungen), Exposition (Wahrscheinlichkeit) und Kontrollierbarkeit unterscheiden. ASIL D erfordert die sicherheitskritischsten Prozesse und Prüfungen. Beispiele für Fahrzeugsysteme, die typischerweise die Einhaltung von ASIL D erfordern, sind elektrische Lenkung, Motormanagement, Bremsen, Seitensichtkameras (Spiegelersatz) und Airbag-Funktionen.

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Fahrzeugdisplays wie beispielsweise das Kombiinstrument oder das HUD fallen im Allgemeinen in den Bereich von ASIL B. Zwei Beispiele für Displayblöcke des Kombiinstruments, die den Standards der funktionalen Sicherheit entsprechen müssen, sind die TFT-Versorgung für das Leistungsmanagement und der LED-Treiber für die Hintergrundbeleuchtung. Die TFT-Versorgung besteht typischerweise aus nachfolgenden Spannungen:

AVDD- und NAVDD-Spannungen für den TFT-Source-Treiber
U_GON- und U_GOFF-Spannungen für den TFT-Gate-Treiber
U_COM-Spannungen für die LCD-Backplane

I²C und ein Fehler-Pin werden zur Kommunikation mit dem Host-Mikrocontroller (MCU) verwendet. Ein ASIL-B-konformer TFT-Versorgungsblock weist nachfolgende Komponenten auf:

I²C (Daten- und Taktsignal) und Fehler-Pin für Einstellungen und Diagnose für jede Spannung
Unter- und Überspannungsüberwachung für jede Spannung
Interne Widerstände mit fester oder über I²C einstellbarer Spannung
Redundante Referenzspannung
Die Erkennung eines unbeschalteten Enable-Pins für zusätzliche Redundanz – wenn der Enable-Pin nicht beschaltet ist, wird der Chip einen anderen Pin prüfen, ob er ein- oder ausgeschaltet ist.

Der Eingang für den LED-Treiber der Hintergrundbeleuchtung wird in dem Block typischerweise direkt mit der Autobatterie verbunden, der bei kurzgeschlossenem Ausgang einen Spannungsschutz besitzt. Abhängig von der Anzahl der LEDs pro Strang kann der Ausgang entweder ein Aufwärtswandler (Boost) oder ein Single-Ended Primary-Inductor Converter (SEPIC) sein. Für die Kommunikation mit der MCU werden I²C und ein Fehler-Pin benötigt. Ein ASIL-B-konformer Treiber für die Hintergrundbeleuchtung von LEDs sieht wie folgt aus:

SPI oder I²C mit Fehler-Pin, der mit dem Mikrocontroller kommuniziert, um Einstellungen und Diagnosen für jede Spannung vorzunehmen
Erkennung von offenen/kurzgeschlossenen LEDs pro Strang
Redundante Referenzspannung.

Einhaltung von Fehlerszenarien gemäß ASIL B

Bei der TFT-Versorgung gibt es drei gängige Fehlerszenarien, die zu beachten sind:

U_COM-Spannung außerhalb des zulässigen Bereichs
Überspannung bei der U_GON-Spannung
Ausfallsicherer Betrieb mit unbeschaltetem Enable-Pin

Ein ASIL-B-konformer TFT-Versorgungsblock erkennt die Fehler. In den ersten beiden Szenarien alarmiert der Fehler-Pin den Mikrocontroller, der dann das Fehler-Register liest, um die Situation zu prüfen und bei Bedarf über I²C die Spannungen entsprechend anzupassen. Im ausfallsicheren Betriebsszenario, wenn der Enable-Pin unbeschaltet ist, während FEN (redundanter EN-Pin) noch einen logischen High-Pegel aufweist, werden die Ausgangsspannungen auf die Standardeinstellungen zurückgesetzt. Der Mikrocontroller kann die Spannung dann über I²C einstellen.

LED-Treiber zeigen einige Fehlerszenarien, die ein ASIL-B-konformer LED-Treiber vermindern kann:

Eine Kabelunterbrechung im LED-Strang 1: In dem Fall alarmiert der Fehler-Pin den Mikrocontroller, der das I²C-Register liest, um den unterbrochenen LED-Strang zu identifizieren. Die MCU zeigt den Fehler oder andere wichtige Informationen auf dem Display. Zudem hat die MCU die Möglichkeit, in anderen LED-Strängen den Strom oder das PWM-Taktverhältnis zu erhöhen.
Strang 2 hat kurzgeschlossene LED: Wie beim vorherigen Szenario wird der Fehler-Pin die MCU auf den Zustand aufmerksam machen. Die MCU liest das I²C-Register, um zu erfahren, welcher LED-Strang den Kurzschluss hat. Um die Stromaufnahme zu reduzieren, schaltet der LED-Treiber den entsprechenden Strang ab. Die MCU zeigt den Fehler oder andere wichtige Informationen auf dem Display. Außerdem hat die MCU die Möglichkeit, in anderen LED-Strängen den Strom oder das PWM-Taktverhältnis zu erhöhen.
Boost-Ausgangsspannung zu niedrig oder zu hoch: Der Fehler-Pin warnt den Mikrocontroller, der das I²C- Register liest, um die zu niedrige Boost-Spannung zu erkennen. Die MCU kann den DC/DC-Wandler und den LED-Treiber deaktivieren.

Local Dimming für funktionale Sicherheit

Fahrzeugdisplays versorgen den Fahrer mit zahlreichen sicherheitsrelevanten Informationen. Als wichtige Komponenten der Fahrzeugsicherheit müssen die Displays allerdings strenge Normen erfüllen und unter allen Fahrbedingungen zuverlässig funktionieren. Die Kombination aus funktionaler Sicherheit und Local Dimming in automobiltauglichen ICs kann die Entwicklung leistungsstarker Displays unterstützen, die ein sichereres Fahrerlebnis ermöglichen.

Der Autor

Szukang Hsien

ist Executive Business Manager für Powermanagement Automotive-Displays und Gestenlösungen bei Maxim Integrated. Vor Maxim arbeitete er neun Jahre lang bei Texas Instruments, zunächst als Analog- und Mixed-Signal-Designer, später als Automotive Systems Marketing Engineer mit Schwerpunkt Infotainment und war dann als Strategic Marketing Manager verantwortlich für DC/DC-Produkte. Er ist Inhaber von sechs US-Patenten und unterstützt Kunden bei der Einführung neuer Produkte und Lösungen.