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Aufbau und Stromversorgung von Automotive-Displays

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

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Fortsetzung des Artikels von Teil 3

LED-Backlight-Treiber

Die Sichtbarkeit des Bildes ist ein kritischer Aspekt, da sie über die Nutzererfahrung entscheidet. Bei LCDs ist eine externe Lichtquelle erforderlich, um das von den Flüssigkristallen gebildete Bild entsprechend zu beleuchten. Der menschliche Bildwahrnehmungs-Faktor wird daher hauptsächlich von der Qualität des Backlight-Treibers bestimmt.

Für die Hintergrundbeleuchtung bieten sich verschiedene Möglichkeiten an. Die meisten Displays werden vom Rand ausgehend beleuchtet. Die LEDs werden am Rand des Displays platziert und eine Diffusorfolie (beziehungsweise ein Lichtleiter) sorgt für eine nahezu gleichmäßige Verteilung des Lichts über das gesamte Panel. Meist werden mehrere versetzte LED-Strings eingesetzt, um eine gleichmäßige Ausleuchtung zu erzielen.

Als alternative Methode kann die direkte Hintergrundbeleuchtung eingesetzt werden, bei der die LEDs direkt hinter dem Glas angebracht sind. Dabei können die LEDs entweder gemeinsam angesteuert oder in kleinere, separate Gruppen unterteilt werden.

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Helligkeitssteuerung von LEDs

Die Helligkeit von LEDs lässt sich auf verschiedene Weise steuern. Ein rein analoges Verfahren beschränkt sich auf das lineare Verstellen des Stroms in den LEDs (Bild 7).

Das Regulieren des Stroms ist simpel und aus Sicht der Stromversorgung auch effizient – bietet aber keine gute Auflösung. Bei niedriger Helligkeit ist es schwierig, sehr geringe Ströme auf reproduzierbare Weise zu erzeugen. Bei der Stromregelung begrenzt die Linearität der LEDs die Mindesthelligkeit. Hinzu kommt, dass sich bei linearer Änderung des Stroms die Farbtemperatur der LEDs verändert – ungünstige Eigenschaften der linearen Helligkeitsregulierung. Eine weitere gängige Methode der Helligkeitsregulierung ist die digitale Pulsweiten-Modulation (PWM) (Bild 8).

Das PWM-Verfahren erlaubt sehr geringe Mindesthelligkeiten von deutlich unter ein Prozent sowie Maximalhelligkeiten bis 100 Prozent. Da der an die LEDs abgegebene Strom auch bei geringer Helligkeit stets gleich ist, kommt es zu keiner Änderung der Farbtemperatur. Prinzipbedingt entstehen bei PWM-Signalen allerdings hohe Verluste, sobald das Tastverhältnis entsprechend groß ist. Im Kontext eines LED-Treibers wären große Helligkeiten, die am häufigsten genutzt werden, sehr ineffizient und würden zu einem hohen Aufkommen elektromagnetischer Störgrößen führen.

Eine Kombination aus analoger und PWM-basierter Helligkeitsregulierung ist die sogenannte Hybrid-Dimmung, wie sie bereits in verschiedenen Backlight-Treibern verbaut sind. Entsprechend aktiviert, wird die ankommende Helligkeitsinformation in ein PWM-Signal verwandelt, solange der Gesamtstrom niedrig ist. Das vermeidet nicht nur etwaige Farbverschiebungen, sondern hält das Störaufkommen niedrig und den Wirkungsgrad hoch. Mit dem Erreichen einer bestimmten Helligkeitsschwelle wechselt der Baustein in die Stromdimmung, die effizient und einfach zu verwalten ist.

Dimmungsverhältnis und Dimmungsauflösung

Unter dem Dimmungsverhältnis wird das Verhältnis zwischen der maximalen und der minimalen Helligkeit verstanden. Die limitierenden Faktoren sind hierbei in der Regel die Anstiegszeit des LED-Treibers und die PWM-Periode der LED (Bild 9).
Bezüglich des Dimmungsverhältnisses gibt es eine Faustregel zum Abschätzen des Werts: Tp_LEDPWM/Tr_LEDRISE. Bei einem PWM-Signal von 200 Hz (5 ms) und einer Anstiegszeit von 200 ns ergibt sich ein Dimmungsverhältnis von 10.000 : 1.

Dimmungs-Verhältnis /-Auflösung, Rauscheigenschaften

Bilder 9 - 11

Bei der Dimmungsauflösung handelt es sich um die Zahl der Helligkeitsstufen zwischen 100 Prozent und null Prozent (Bild 10). Bei Direct-PWM-Bausteinen wird die Dimmungsauflösung durch die Fähigkeit des Hosts bestimmt, das Tastverhältnis des eingangsseitigen PWM-Signals feinstufig zu variieren. Bei Sampled-PWM-Bausteinen dagegen wird die Dimmungsauflösung von der eingangsseitigen PWM-Abtastung oder der ausgangsseitigen PWM-Erzeugung
limitiert. In Anwendungen, die per I²C oder SPI gesteuert werden, wird die Dimmungsauflösung durch die Bitbreite des Helligkeitsregisters begrenzt (üblicherweise 16 Bit beziehungsweise 65.535 Stufen).

Rauscheigenschaften

Ein wichtiger Faktor der Leistungswandler in Automotive-Designs sind die verschiedenen Störaussendungen, die zu unerwünschten Effekten führen können. Bei der Entwicklung von Treiber- und Schaltungsprodukten können die Effekte von Anfang an eingedämmt werden.

Ein Schaltregler erzeugt leitungsgeführte und gestrahlte Störgrößen, wenn das Gate-Treibersignal den Zustand ändert. Langsames Verändern der Schaltfrequenz des Gate-Treibers reduziert das Störaufkommen in bestimmten Frequenzen (Spread-Spectrum-Betrieb). Das Störaufkommen könnte sich gesamthaft nicht verändern, allerdings werden die Spitzen gekappt – was zu einer erhöhten EMI-Performance führt.

Eine weitere wichtige Quelle für Störgrößen im Automotive-Bereich ist das synchronisierte Schalten der PWM-Ausgänge der Stromsenken. Die Vermeidung der Störgrößen besteht darin, die Phasenlagen der LED-Treiber so gegeneinander zu versetzen, dass die Gesamt-Phasenverschiebung 360° beträgt (Verschiebung pro Phase = 360/Zahl der Kanäle) (Bild 11).

Die Integration der Phasenverschiebung verringert die Welligkeit des Boost-Ausgangs und erhöht die Frequenz der Boost-Welligkeit, was der Entstehung hörbarer Geräusche entgegenwirkt. Zudem reduziert sich durch die Phasenverschiebung der Ausgänge die optische Welligkeit im LCD deutlich – das verhindert den Wasserfall-Effekt, der sich oftmals durch dunkle und helle Bänder äußert, die durch das Bild laufen. Das unerwünschte Artefakt entsteht durch geringfügige Unterschiede zwischen der Auffrischungsrate des Displays und der PWM-Frequenz des Backlight-Treibers.

LCD-Design für die Automobilindustrie

Displays werden in Fahrzeugen mehr und mehr zur entscheidenden Mensch-Maschine-Schnittstelle von Audio- und Mediensystemen, Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen, Telematiksystemen, Navigationssystemen und sogar Social-Media-Netzwerken. Konsumenten bewerten die Funktionen und die Ausstattung ebenso hoch wie Stil und Eleganz. Die Designer müssen die vorrangigen Markt- und Techniktrends bei den Automotive-Displays kennen und wissen, wie sich daraus Design-Überlegungen für die grundlegenden Baugruppen eines typischen LCD-Subsystems im Automotive-Bereich ableiten lassen. Hieraus bestimmen sich das Design und die Auswahl der kritischen Stromversorgungs-Komponenten und zusätzlicher Funktionsabschnitte.
Texas Instruments bietet hochintegrierte Halbleiterprodukte zum Ansteuern von Display-Panels im Auto (Display-Bias-PMIC mit Pegelumsetzer), Backlight (LED-Backlight-Treiber) sowie eigenständige Gamma/UCOM-ICs zur Steigerung der Bildqualität und zur Echtzeit-Kalibrierung. Das Portfolio bietet Produkte für die effiziente Stromversorgung von LCD-Panels – egal ob auf a-Si- oder LTPS-Basis.

Literatur

1. Chris Webber: »Automotive Semiconductor Demand Forecast 2015 - 2024 : Juli 2017,« Strategy Analytics, 21. Juli 2017, abgerufen am 1. Oktober 2017.
2. Thomas Seder: »Towards personalization of the driver environment: investigating responses to instrument cluster design.« International Journal of Vehicle Design 5, Nr.. 2,3,4 (2011): 208-236.
3. Richard Robinson: »Automotive Displays – Market Drivers,« Strategy Analytics, 18. Nov. 2010, abgerufen am 1. Oktober 2017.

Die Autoren

Arthi Krishnamurthy

unterstützt als Marketing Manager die Low-Power DC-DC-Produktgruppe von Texas Instruments, die sich auf Produkte für den Massenmarkt konzentriert. Sie arbeitet seit mehr als 16 Jahren bei TI in unterschiedlichen Funktionen, darunter Marketing, Systems und Produkt Engineering in Dallas, Texas, als auch in Freising. Krishnamurthy leitete zuvor ein Marketing- und Anwendungsteam, das sich auf Audioverstärker für Infotainment, Cluster und Telematik im Automobilbereich konzentrierte. Sie hat einen Master-Abschluss in Elektrotechnik/Informatik von der Texas A&M University.

Daniel Ma

ist Systemingenieur im Automotive Infotainment System und Engineering Marketing Team von Texas Instruments. Bevor er zu TI kam, sammelte er Erfahrungen als Hardware-Designer und Funktionstestingenieur bei verschiedenen Unternehmen der Telekommunikations-, Verteidigungs- und Automobilzubehörindustrie, wo er beispielsweise Nachtsichtgeräte, Kameras und verschiedene Telekommunikations-Controller und I/O-Schnittstellen entwickelte.

Chanakya Mehta

verwaltet als Global Automotive Marketing Manager das Portfolio der Display-Hintergrundbeleuchtung bei Texas Instruments. Nachdem er mehr als sechs Jahre als Field Application Engineer für verschiedene Tier-1-Kunden gearbeitet hat, hat er ein tiefes Verständnis für das Display-Ökosystem der Automobilindustrie und nutzt dieses Wissen, um einen Wachstumspfad für die Display-Lösungen von TI zu definieren. Chanakya hat einen Abschluss zum Master of Science in Elektrotechnik der Pennsylvania State University.

Ilona Weiss

ist System- und Applikationsingenieurin für das Power Design Service Team von Texas Instruments mit dem Fokus auf Automobilkunden. Zuvor arbeitete sie drei Jahre lang als Applikationsingenieurin für das Display Power Products Team von TI. Weiss hat einen Master-Abschluss in Elektrotechnik der Technischen Universität München (TUM).