Analogtipp LVDS-Transceiver für adaptive Kfz-Beleuchtungen

In diesem Analogtipp geht es darum, wie Sie mit LVDS-Interface-Schaltungen bei Automobilbeleuchtungen die Bandbreite, die Signalintegrität und den Stromverbrauch von LED-Matrizen optimieren.

Große Verbreitung haben inzwischen Scheinwerfersysteme erlangt, die Fahrzeuge und Fußgänger automatisch ausblenden, um deren Blendung zu vermeiden. Derartige ADB-Systeme (Adaptive Driving Beam, dt.: adaptives Fahrlicht) nutzen die Informationen aus einer nach vorn gerichteten Kamera und werden vorzugsweise mithilfe einer LED-Matrix realisiert.

Die Kamerasignale gelangen über eine Serializer-Deserializer-Schnittstelle an einen im zuständigen elektronischen Steuergerät (Electronic Control Unit, ECU) untergebrachten Mikrocontroller (MCU), der das jeweils benötigte Ausleuchtungsprofil errechnet und die entsprechenden Ansteuerdaten an das LED-Treibermodul der Scheinwerfer weiterleitet.

Je mehr LEDs die jeweilige Matrix enthält, umso genauer lässt sich das austretende Licht an die herrschenden Bedingungen anpassen. Wenn aber die Zahl der LEDs in den Scheinwerfern steigt, können die erforderlichen Signalübertragungsraten schnell Werte von mehreren Gigabit pro Sekunde erreichen. Die verwendeten Schnittstellen müssen allerdings nicht nur schnell, sondern auch betriebssicher sein und große Übertragungsdistanzen unterstützen.

Matrix-Scheinwerfer: Warum die differenzielle Signalisierung geeignet ist

Aus drei Gründen ist die differenzielle Signalisierung hervorragend für diese Aufgabe geeignet: Wegen der differenziellen Signalübertragung lassen sich Gleichtaktstörungen vom Empfänger problemlos ausfiltern. Unterschiedliche Massepotenziale wirken sich weniger stark aus, da die Signale nicht massebezogen sind. Die Datenübertragung mit gleicher Amplitude, aber entgegengesetzten Vorzeichen trägt zur Minimierung der elektromagnetischen Störaussendungen bei.

Die LVDS-Technik (Low-Voltage Differential Signaling) arbeitet, wie der Name schon sagt, mit einem sehr geringen Spannungshub, was sie gemeinsam mit weiteren grundlegenden elektrischen Eigenschaften für Übertragungsraten bis zu 3 GBit/s prädestiniert, wobei Übertragungsdistanzen bis zu 10 m unterstützt werden und der Stromverbrauch sehr gering ist. Dies ergibt insgesamt ein höchst attraktives Eigenschaftsprofil für die Ansteuerung der LED-Matrizen in adaptiven Scheinwerfern.

Eine LVDS-Verbindung (Bild 1) besteht aus dem Treiber, dem Übertragungsmedium, einem 100-Ω-Abschlusswiderstand und dem Empfänger.

Die 3,5-mA-Konstantstromquelle im Treiber erzeugt am Abschlusswiderstand einen Spannungsabfall von 350 mV; und wegen dieses geringen Spannungshubs lassen sich besonders kurze Anstiegs- und Abfallzeiten erzielen. Die Polarität des Treiberstroms richtet sich danach, ob eine Low- oder High-Information übertragen wird. Der LVDS-Empfänger, dessen Eingangsimpedanz hoch ist, damit der Strom den Weg durch den Widerstand wählt, erzeugt aus dem ±350-mV-Signal am Abschlusswiderstand ein massebezogenes, CMOS-kompatibles Ausgangssignal.

Wie Bild 2 verdeutlicht, beseitigt die LVDS-Verbindung auf effektive Weise den Engpass in adaptiven Scheinwerfersystemen.

Eine Bindung an ein bestimmtes Protokoll besteht bei LVDS nicht, sodass die Sicherungsschicht (Data Link Layer nach dem OSI-Modell) gemäß den jeweiligen Anforderungen gestaltet werden kann. In Beleuchtungssystemen ist es beispielsweise üblich, das UART-Protokoll über die LVDS-basierende Bit-Übertragungsschicht zu leiten.

LVDS ist bestens etabliert, und allein das Produktangebot von Texas Instruments umfasst Hunderte LVDS-Bauelemente mit unterschiedlich vielen Kanälen sowie vielfältigen Kenndaten, Spannungen und Datenraten. Für adaptive Scheinwerfer bietet sich das kosteneffektive Treiber-/Empfänger-Paar DS90LV011AQ-Q1 und DS90LT012AQ-Q1 ebenso an wie der DS90LVRA2-Q1, ein zweikanaliger LVDS-Empfänger, der im Interesse der Interoperabilität mit Low-Voltage-Prozessoren Unterstützung für 3,3-V-, 2,5-V- und 1,8-V-Logik bietet. (kr)

* Adam Arnold ist Product Engineer bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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