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芯片设计厂商应该向TI学什么?从一场TI汽车照明产品发布会想到的

时间:2019-12-11 作者:顾正书 阅读:
TI有哪些值得尊重和学习的地方呢?相信这是众多芯片设计公司的工程师和管理者们一直在思考的问题。我最近有机会参加了一场TI汽车照明产品发布会,从中体会到几点值得我们学习之处,希望对业界同仁有所启发。
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提起德州仪器(TI),做模拟芯片设计的工程师和公司们可能会有“羡慕”、“嫉妒”、甚至“恨”的反应。但无论怎样的反应,半导体业界人士都会认同这是一家值得尊重的公司。TI有哪些值得尊重和学习的地方呢?相信这是众多芯片设计公司的工程师和管理者们一直在思考的问题。我最近有机会参加了一场TI汽车照明产品发布会,从中体会到几点值得我们学习之处,希望对业界同仁有所启发。

一、技术创新及创新的商业应用

因发明集成电路而获得诺贝尔奖的Jack Kilby来自TI,台积电创始人张忠谋在TI工作多年后回台湾开创晶圆代工商业模式,并因此成就了高通、英伟达和赛灵思等众多fabless企业。2015 年,来自TI的Larry Hornbeck 博士被授予奥斯卡金像奖,以表彰其发明应用于 DLP Cinema®投影的数字微镜技术。他在TI的中央研究实验室发明了数字微镜器件(DMD),进而发展出TI独特的数字光源处理(DLP®)技术,现已广泛应用于商业和家庭投影仪设备,DLP Cinema技术已经支持全球超过 80% 的数字影院屏幕。6787.Hornbeck Oscars 4.jpg-450x0.jpg图1:获得2015年奥斯卡金像奖的Larry Hornbeck 博士展示TI DLP®数字微镜器件(来源:TI)

• DLP工作原理
DLP 芯片组借助高达 60Gbps 的像素数据速率,可以让投影系统高速、精准地控制数百万镜片。每一个 DLP 芯片组的核心都有一个高反射铝微镜阵列,即数字微镜器件 (DMD)。DMD 是一种电子输入、光学输出的微机电系统 (MEMS),每一个 DMD 都含有最多 800 万个独立控制的微镜(构建于相应的 CMOS 存储单元上),开发人员可借助它执行高速、高效及可靠的空间光调制。

在运行期间,DMD 控制器为每个基本存储单元加载一个“1”或一个“0”。接下来会施加镜片复位脉冲,这会引起每个微镜静电偏离大约一个铰链,从而达到相应的 +/-° 状态。由于会受到两个弹簧顶针的阻力而物理停止,这两个有效状态的偏离角度是可重复的。

dlp-chipset-block-diagram-1987.jpg图2:简化的DLP芯片组原理框图(来源:TI)

在投影系统中,+° 状态对应“开”像素,-° 状态对应“关”像素。通过对每个镜片的开/关占空比进行编程来创建灰度图形,并且可以多路复用多个光源以创建 RGB 全彩图像。而在其他应用中,+/-° 状态可为两个通用输出端口提供一个图形及其反向图形。

DLP在汽车上有能发挥什么价值呢?TI LED驱动器产品线经理龚松在产品发布会上介绍了DLP的两个新兴汽车应用。
• 透明车窗显示:出租车/网约车欢迎客户或广告显示屏
出租车广告我们都已司空见惯,但在车身或玻璃上贴一块广告招牌不太雅观,也不容易清除和更换。如果能够在车窗玻璃上显示动态变化的图像或视频,广告效果肯定要好得多。现在中高端网约车也讲究个性化服务以便为客户提供更好的乘车体验,如果深夜在机场等候客户的时候在车窗玻璃上显示出客户的姓名,相信客户会有意外的惊喜。

taxi-glass-display.jpg图3:用DLP技术实现出租车/网约车的透明车窗显示屏(来源:TI)

用DLP技术就可以实现这样个性化的透明车窗显示效果,只要在车窗玻璃上贴上磷光或多色膜,以一定波长来投影光源就可以显示出非常清晰的画面。TI提供了两颗汽车级认证的DLP芯片,一颗是0.3英寸的DLP3034-Q1(Q1表明该器件已经通过汽车Q100质量体系认证,是合格和业界认可的汽车级产品),支持405nm波长照明源(LED或激光),分辨率为864×480,它有一个非常高的光输出效率,可以提高日间信息的可视度。另一颗是可以支持更高分辨率(1152×576)、0.55英寸的DLP5534-Q1,其像素点数高达130万,照明亮度是DLP3034-Q1的三倍。

• 高端定制化小灯:将品牌LOGO或红地毯等标识投影到地面上
DLP技术通过DMD芯片可以实现非常高像素、高分辨率的图像显示,根据系统要求可以显示图片、视频和照明应用,它可以作为驾驶员和其他人用光沟通的一个渠道。但DMD器件用在车的小灯上也有难题,因为DLP本身不能单独工作,它需要光学透镜,需要光源。所以整个尺寸对小的应用是非常大的挑战。TI将DMD器件尺寸做得非常小,使得DLP模块可以放在车门上,也可以放在车的后视镜上,甚至可以塞在前大灯或者尾灯里作为辅助照明,甚至作为专门的前方Logo投影或者尾部信号投影。

二、围绕客户头疼的核心问题提出可行解决方案

我们平时在路上行走或开车时应该遇到过这样的场景,当对面来车开着远光灯,你的眼前立刻变得一阵白茫茫的。如果你开车也开着远光灯,迎面双方都会出现视线上的盲区,这对道路安全会产生非常严重的威胁。如果你是行人,炫光也会给你造成极大的不舒适感。汽车厂商为解决这个炫光问题已经研究多年,传统汽车大灯使用卤素灯泡或者疝气灯,车厂也为此开发出自动调节远近光的技术。当检测到前方有车辆或行人时,这种技术会自动把远光调为近光。但这样也不安全,特别是同时有行人和车辆过来的时候,调成近光会使司机的视野受到极大影响,看不到对面的行人。
adaptive-front-large-lighting.jpg图4:远光灯造成的炫光会对对面驶来的车辆或行人造成严重安全危险

• 自适应前照灯
针对这一困扰车厂多年的炫光问题,TI研发出自适应前照灯系统。其原理是,当对面有车辆或行人过来的时候,汽车只把光驱调暗,其他的光都保持原来的状态,这样就能有效避免眩光,同时对驾驶员的视野也不造成影响。鉴于很多车型的前大灯都采用LED光源,TI开发出三颗LED芯片的实现方案,包括LED控制器TPS92682-Q1、LED驱动器TPS92520-Q1,以及LED矩阵管理TPS9266X-Q1。
adaptive-front-large-lighting-solution.jpg图5:TI的自适应前照灯芯片及参考设计(来源:TI)

TPS92682-Q1是双通道的LED控制器,支持各种拓扑结构,比如升压拓扑、降压拓扑,有升降压和反激式等都可以通过这一芯片来实现。该芯片的输入电压范围特别广,可以支持从3V到40V的输入电压波动。此外,它还可以实现恒流(CC)或恒压(CV)输出模式,可以独立作为一个静态大灯的解决方案,也可以和其他芯片配合组成动态大灯实现方案。

这颗芯片的一大特定是配置灵活,其内部参数可以通过设置来设定,比如通过对过流或过压等设置来满足不同需求,用这一颗芯片就组成不同的拓扑架构,预设不同的参数,来满足不同OEC车厂的不同车型的需求。它可以为厂商带来三个好处:其一是只需采购一个物料即可满足不同项目的需求;其二是设计工程师熟悉该芯片的特性后就可以避免BUG而提高设计稳定性;其三是可以降低客户运营管理的复杂性。

第二颗芯片是TPS92520-Q1,它是具有SPI的单片双路同步降压LED驱动器,同时集成了MOSFETs,其开关频率相当高,达到2.2MHz。另外,通常放在底部的散热盘放到了芯片顶部,这样就可以在上面再放一个散热片,加强系统散热,使得这个小小的芯片可以输出120W的功率。

前两颗芯片构成了汽车前大灯的前两级,但要真正实现动态控制还需要LED的像素级控制,即需要控制每一个LED单独的“开”和“关”,这样才能够实现关闭某一区域的光,而保留其他区域的光继续开启。第三颗芯片TPS9266X-Q1是一种LED矩阵管理器件,它对每个独立像素的管理做得特别精确,每个像素点还带独立的诊断功能,如果像素点出现问题可以及时报告给ECU,让系统知道汽车安全可能受到潜在的威胁。此外,它还可以让设计师编程不同的光束形状,以适应不同行车路况。由此可以看到,TI不光帮助客户解决系统问题,而且还给系统设计提供了更多的可能性,让OEM厂商开发出更好的产品。

如果车厂只需要几百个像素的LED前大灯,这三颗芯片组成的设计就足够了。但是,如果车厂要求更高的像素分辨率,比如上千个LED像素点,这样的方案就难以应付了。首先,LED是单独布设的,驱动和控制芯片会越来越大;其次,前大灯是功率系统,当采用更多LED的时候热管理也开始出现问题。

TI怎样帮助客户解决这一问题呢?求助于DLP技术提供的百万级像素解决方案,不但彻底解决了他们所有的问题,而且超越了客户的需求。DLP5531-Q1是一种0.55英寸的数字微镜器件(DMD),能够把尺寸做得特别小,把光源镜头的高度做到小于40mm,可以将它塞在前大灯里。基于该器件的参考设计比现有自适应远光灯技术能够提供的分辨率高1万倍以上。

• 动态尾灯
贯穿式尾灯系统已经在市场上的有些车型中出现,这是现在流行的一个热门汽车灯饰,但实现贯穿式动态尾灯设计并不容易,需要应对三个方面的挑战。第一,整个尾灯系统要互动起来就需要多个像素点,LED驱动器内部要集成大量的PWM控制及内部LED量变控制算法的数字模型。第二,因为车的后箱体有非常长的距离,整个贯穿式的尾灯如果要实现动态灯效,就需要通信接口,让这些灯可以非常有效的互相通信。第三,当在尾灯上采用MCU来控制时,因为尾灯分布距离长,需要多个MCU和PCB板互相连接在一起,这就会带来安全性问题。
tail-light.jpg图6:贯穿式动态尾灯显示效果

TI推出的12通道LED驱动器TPS929120有效解决了多像素控制、长距离通信和安全性问题。首先,该器件的每个通道可以驱动一颗、两颗或三颗LED,同时可以多颗芯片集连在一起以驱动上百颗LED。其次,TI提出了自定义接口协议FlexWire,它基于UART协议,同时利用了CAN和LIN物理收发器层,不但保证了系统安全可靠性和兼容性,而且UART的编解码功能相对容易上手,在确保长距离通信的同时还可以保持非常好的可靠性和EMC/DMI性能。最后,它还集成了非常完整的故障诊断和报错功能,某一通道的一颗LED短路也会触发报错,另外还有可编程的故障保护,集成了看门狗计时器以监控MCU故障信号。

三、标准基础器件也要做到极致

传统的车内顶灯照明非常简单,就是一个开关。我们可以设想一个个性化内饰灯的应用场景,看如何实现智能化和区域化的照明。假如你坐在副驾驶座上看书,可以调整光线让它直接照在你的书上。如果你移动座位或者身体,书的位置也随之移动,我们可以让光跟踪书的位置,让你始终获得非常清晰的视野,同时还不会影响驾驶员。

要实现这种场景的设计,首先要实现像素化的控制。为此TI开发出内饰像素圆顶灯参考设计TIDA-020012,它包含三颗芯片,其高像素LED矩阵驱动模块可以采用直驱模式驱动30颗LED,也可以采用多路复用驱动150个LED。这三颗都是标准的基础器件,已经量产,但也是TI为了完成客户系统的要求而挑选出来的三颗芯片,都非常有代表性。

interior-lighting.jpg图7:TI 内饰像素圆顶灯参考设计及所用芯片(来源:TI)

由上图可以看出,第三颗芯片TPS7B82-Q1是LDO线性调压器,这是300毫安的高压超低IQ的LDO,它的电压输入范围是3V到40V,它不但满足正常的行驶条件,同时可在恶劣的冷启动和启停条件下运行。这个芯片的静态电流特别小,只有2.7μA,通常在汽车领域使用的LDO都是几十个μA,甚至上百个μA的LDO。LDO是业界非常标准、简单的器件,但即使在最基础和最简单的芯片上,我们也可以看到TI用心做好的精神,以及其技术的领先性。

除了以上三个方面值得我们学习外,TI在应用分类上的细致也值得借鉴。我浏览TI网站按照应用分类的导航栏,注意到其汽车应用的分类十分详细,比如汽车照明的应用细分为前照灯、车内灯、尾灯和小灯。而车身电机类别则细分为:车门模块、天窗电机模块、单轴电机模块、滑动门模块、后备箱模块、车窗模块和雨刷器模块。

TI-Application-auto-1.jpgTI-Application-auto-2.jpg图8:TI网站的汽车应用分类十分细致

此外, TI为客户提供的参考设计和技术支持也非常周到。比如,前面介绍的那个120W汽车前照灯参考设计,可以实现静态或动态的LED前大灯的ECU设计。它已经通过了EMA测试,可以参考它的布局设计,甚至可以把这个板子塞到现有的前大灯里来模拟想要的光效,先看一下产品带来的照明效果是怎样的。其实TI不光提供芯片解决方案,也不光是提供EVM板,而是让客户去了解产品特性,所提供的完整参考设计甚至可以直接拿去生产。

 

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顾正书
电子工程专辑(EETimes China)主分析师。以深圳为坐标原点,扫描全球电子和半导体行业。专注于China Fabless和SoC设计细分市场的分析和学习,欢迎交流。
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