Interaktivität im Fahrzeug

Aufbau und Stromversorgung von Automotive-Displays

12. November 2018, 11:00 Uhr | Von Arthi Krishnamurthy, Daniel Ma, Chanakya Mehta und Ilona Weiss

Die Fortschritte im Bereich der Unterhaltungselektronik erhöhen die Erwartungen der Konsumenten im Hinblick auf interaktive Features und eine höhere Qualität der Display-Darstellung.

Automotive-Displays sind das primäre Kommunikationsmedium zwischen Fahrzeug und Autofahrer bzw. Mitfahrer zu fahrzeugbezogenen Informationen. Die Zahl der Displays in den Fahrzeugen wächst dabei ebenso stetig – laut Strategy Analytics von 2016 bis 2021 um nahezu 65 Prozent – wie auch die Qualität der dargestellten Informationen [1].

Ein Display, das einfach nur seine Funktion erfüllt, ist heute nicht mehr ausreichend – die Automobilhersteller sind bestrebt, sich von ihren Mitbewerbern abzuheben, indem sie ansprechende Innenausstattungen entwerfen und die Kundenwünsche noch übertreffen. Und wenn künftig die Fahrzeuge autonomer werden, sind die Konsumenten weniger mit dem Autofahren beschäftigt. So verbleibt mehr Zeit für andere Aktivitäten. Die Infotainment-Funktionen werden daher bei autonomen Autos noch wichtiger werden.

Studien haben zudem ergeben, dass Konsumenten subjektiv »schöne Objekte« als prinzipiell brauchbarer wahrnehmen [2]. Daher beauftragen die Automobilhersteller Designer und Künstler mit der Gestaltung attraktiver Umgebungen. Da sich die Technik fortlaufend verändert, spielen auch Ingenieure bei der Gestaltung eine wichtige Rolle. Die Entwickler müssen herausfinden, welche Produkte verfügbar sind und wie sie bei Automotive-Displays zur Anwendung kommen können.

Die visuelle Wahrnehmung eines Displays durch einen Menschen wird hauptsächlich von der Pixeldichte beeinflusst. Je mehr Punkte auf eine Flächeneinheit kommen (höhere Dichte), umso gleichmäßiger und natürlicher erscheint das Bild. Die verbesserte Bildqualität und der Detailreichtum der Bilder mit hoher Auflösung (HD) oder gar mit Ultra-HD (4K-UHD) erzielen bereits eine große Realitätsnähe.

Um den Effekt bestmöglich zu erreichen, müssen Betrachtungsentfernung und Pixeldichte ins Verhältnis gebracht werden. Je geringer die Entfernung zum Display ist, umso größer muss die Pixeldichte werden. Das ist einer der Gründe, dass ein Smartphone-Display eine höhere Pixeldichte aufweist als Computerbildschirme oder Fernsehgeräte.

Die typische Betrachtungsentfernung im Kraftfahrzeug beträgt circa 70 cm – die erforderliche Pixeldichte beträgt daher mindestens 300 Pixel pro Zoll (ppi).
Zum Vergleich: Ein Smartphone hat heutzutage circa 600 ppi, bei einer Betrachtungsdistanz von rund 26 cm. Der Wunsch nach größeren Displays mit höherer Dichte führt nun zur Implementierung von 2K- (1080 p) und 4K-Displays in den Fahrzeugen.

Displays können dynamische Informationen liefern und zusätzlich interaktiv sein. Sie ersetzen daher immer mehr konventionelle Mensch-Maschine-Schnittstellen und mechanische Funktionen wie Taster oder Schieberegler. Durch die große Anzahl an Displays wird künftig eine effiziente Stromversorgung von entscheidender Bedeutung sein.

Display-Technik

LCD-Panels zeichnen sich durch Verlässlichkeit und Langlebigkeit aus und eignen sich für zahlreiche Bildschirmgrößen und -auflösungen. Das erklärt, weshalb sie zu den verbreitetsten Displays für Instrumente sowie für Navigations- und Unterhaltungssysteme im Auto geworden sind. Hauptsächlich sind zwei LCD-Varianten zu unterscheiden:

Passivmatrix-Display
Aktivmatrix-Displays mit TFT (Thin-Film Transistor)

Passivmatrix- und Segment-Displays sind Automotive-Displays, die eine physisch vorgegebene Reihe (oder Sektionen) von Zahlen, Buchstaben oder Grafiken darstellen können. Zum Einsatz kommen Passivmatrix-Displays unter anderem in Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen oder bei Audiosystemen.
Vollfarbige Aktivmatrix-LCD- (AMLCD) TFTs sind die gängigste Technik für dynamische Grafik-Displays in Automobilsystemen – und das wird sich auch
in absehbarer Zeit nicht ändern [3]. Die meisten AMLCD-Displays verwenden amorphes Silizium (a-Si) und können daher auf eine etablierte Lieferkette zurückgreifen.

Einige Panel-Hersteller verwenden die LTPS-Technik (Low-Temperature Polysilicon) zur Herstellung von LCD-Panels. LTPS-Panels erzielen eine höhere Displayqualität durch den Wegfall externer Bauelemente – Treiber-IC ist direkt auf dem Glas angebracht. Die Verbreitung der LTPS-Technik wird weiter zunehmen.

Ein großer Nachteil von LCDs ist die Notwendigkeit einer externen Lichtquelle. Bei Fahrzeugen der Oberklasse zählt die Grafikdarstellung für viele Hersteller zu einem wichtigen Kriterium. Aktivmatrix-OLED-Panels (AMOLED) sind leichter und unterstützen ein ansprechendes Styling – gute Schwarzdarstellung ohne externe Hintergrundbeleuchtung. Kunststoff-OLEDs, bei denen Kunststoff anstelle eines Glas-Substrats zum Einsatz kommt, bieten mehr Designmöglichkeiten durch gebogene oder flexible Displays.

Designanforderungen

Im Vergleich zu anderen Anwendungsbereichen ist der Markt für Automotive-Displays stark individualisiert und verlangt nach speziellen Funktionen zur Anpassung an den individuellen Markenwert des Fahrzeugs. Automotive-Displays müssen strenge Testvorgaben für den Betrieb erfüllen, um Langzeit-Zuverlässigkeit und -Sicherheit zu garantieren. Beispielsweise sind zu testen:

Verschiedene Temperaturbereiche
Mechanische Zuverlässigkeit (durch Vibrationen oder Kollisionen)
Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) bei elektromagnetischen Störbeeinflussungen, elektrostatischen Entladungen und Lasttransienten

Der begrenzten Platzverhältnisse und die Funktionssicherheits-Aspekte beim Einsatz in Fahrzeugen sorgen dafür, dass spezielle Entwicklungen erforderlich sind. Zu den entscheidenden Anforderungen und Eigenschaften von Automotive-Displays zählen:

Große Helligkeit. Es ist entscheidend, dass die Autofahrer die Displays bei unterschiedlichsten Lichtverhältnissen leicht ablesen können – sowohl bei Tageslicht als auch bei völliger Dunkelheit.
Großer Betrachtungswinkel. Displays in der Mittelkonsole sollten für Fahrer und Mitfahrer (auch auf den Rücksitzen) gleichermaßen gut sichtbar sein.
Großer Temperaturbereich. Der Temperaturbereich reicht in der Regel von -40 °C bis über 105 °C.
Hohe Bildqualität. Die Migration moderner Display-Technik in den Automotive-Markt generiert eine Nachfrage nach Displays mit hoher Auflösung, hohem Kontrast und großem Farbreichtum.
Farbtiefe. Bei höher auflösenden Displays kann es erforderlich werden, eine 24 bit RGB-Farbpalette zu unterstützen.
Lange Lebensdauer und nachhaltige Produktions-Unterstützung. Displays müssen Design- und Produktionszyklen von mindestens fünf Jahren unterstützen, wobei sich der Zeitraum auf zehn Jahre oder sogar das Autoleben erhöhen kann.
Kurze Reaktionszeiten und hohe Auffrischungsraten. Die Vermeidung von Verzögerungen ist wichtig bei Warnanzeigen und Navigationsfunktionen wie etwa Echtzeitkarten und Verkehrs-Updates.
Blendfreiheit und reduzierte Reflexionen. Displays müssen den Autofahrern kritische Fahrzeuginformationen präsentieren, ohne abzulenken.
Geringer Stromverbrauch. Ein geringer Stromverbrauch erlaubt eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs und eine Platzierung von Bauteilen an »Hot-spots«. So werden bestimmte Bereiche auf einer Leiterplatte bezeichnet, die infolge der ungleichmäßigen Verlustleistungs-Verteilung auf der Leiterplatte im Fahrzeugraum heißer sind, entweder weil sie direktem Sonnenlicht ausgesetzt werden oder sich in der Nähe anderer Wärme erzeugender Systeme befinden.

Größe und Auflösung

Zu den entscheidenden Faktoren auf dem Display-Markt für Kraftfahrzeuge zählen Größe und Auflösung der Bildschirme. Die Formate von Automotive-Displays liegen üblicherweise zwischen 1,5 Zoll und mehr als zwölf Zoll. Wegen der Verbreitung von Solid-State- und Digital-Clustern sowie der HD-Auflösungen von VGA (Video Graphics Array) bis 1080 p, geht der Trend zu Display-Größen von bis zu 20 Zoll.

Mit der Steigerung von Größe und Auflösung gehen die Panel-Hersteller weg von Chip-on-Glass-Produkten und hin zu externen Leiterplatten, die durch nachfolgende Komponenten und Eigenschaften die Energieeffizienz verbessern:

LCD-Bias-PMIC (Power Management IC)
Gamma-Puffer
Common-Spannung (UCOM)
Pegelumsetzer

Große Freiform-Displays, die durch Kombination mehrerer »randloser« Panels entstehen, erfordern Hochspannungs-Pegelumsetzer zum Ein- und Ausschalten der integrierten Pegelumsetzer.