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Display Driver Die wichtigste Kommunikationsschnittstelle im Fahrzeug

E-Mirrors, Head-up- und Entertainment-Displays verändert Innenraum- und Bedienkonzepte moderner Fahrzeuge. Sie müssen benutzerfreundlich und attraktiv, aber auch zuverlässig und sicher sein.

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(Bild: ROHM Semiconductor)

In den letzten Jahren hat sich die Architektur der Displayanzeigen in modernen Fahrzeugen grundlegend verändert, sodass man heute in einem voll ausgestatteten Auto eine große Vielfalt an Displays findet (Bild 1). Typischerweise werden sie mit einem so genannten Domain-Controller verbunden, der als Videoquelle fungiert. Bilder und Grafiken werden dabei zentral in leistungsfähigen GPUs erstellt und anschließend über Hochgeschwindigkeits-Kabelverbindungen zu den entfernten Displays übertragen.

Die Verkabelung und mögliche Verkettungen (Daisy-Chaining) werden durch den Standort und die Funktion jeder einzelnen Anzeige beeinflusst. Die jeweilige optionale Fahrzeugkonfiguration, d.h. welche Displays ausgewählt und installiert werden, ist entscheidend. Ein typisches Beispiel für eine Daisy-Chain ist die Verkettung der Anzeige des Kombi-Instruments (Instrument Cluster) mit dem Head-up-Display (Sichtfeld-Projektionsdisplay). Die Daisy-Chain ist außerdem eine bevorzugte Verbindung zwischen dem Infotainment/CID (Center Information Display) und dem optionalen Beifahrer-Display und/oder dem Display zur Steuerung der Klimaanlage/HVAC (Heating-Ventilation-Air-Conditioning).

Andere Anzeigen werden aufgrund ihrer entfernten Position einzeln verkabelt. Ein Beispiel sind die Spiegelersatzanzeigen, die so genannten E-Mirrors, die oben an der Windschutzscheibe oder in der Türverkleidung angebracht sind. Ähnliches gilt für die Unterhaltungsdisplays/RSE (Rear Seat Entertainment) für die Rücksitze, wobei dies stark von deren Größe und Form abhängt.

Drei Displays zu einer einheitlichen Oberfläche kombinieren

Der neueste Trend bei der Gestaltung von Armaturenbrettern und den Unterhaltungsdisplays für die Rücksitze besteht darin, zwei oder sogar drei Displays zu einer breiten und einheitlichen Oberfläche zu kombinieren. Displays mit ihren interaktiven Funktionen verschmelzen dadurch zu einem einzigartigen Nutzererlebnis. Für die so genannten Pillar-to-Pillar-Designs (Säule-zu-Säule) wird eine Kombination aus mehreren oder extra breiten Panels mit einer horizontalen Auflösung von mindestens 6k Pixel gewählt.

Bild 1: Beispiel eines voll ausgestatteten Autos mit sicherheitsrelevanten (rot), nicht sicherheitsrelevanten Displays (blau) und einem Domain-Controller. Die Anzeigen im Armaturenbrett könnten auf einer Fläche kombiniert werden (grün eingerahmt). Daisy-Chain-Verbindungen tragen zur Reduktion der Punkt-zu-Punkt-Leitungen bei.
Bild 1: Beispiel eines voll ausgestatteten Autos mit sicherheitsrelevanten (rot), nicht sicherheitsrelevanten Displays (blau) und einem Domain-Controller. Die Anzeigen im Armaturenbrett könnten auf einer Fläche kombiniert werden (grün eingerahmt). Daisy-Chain-Verbindungen tragen zur Reduktion der Punkt-zu-Punkt-Leitungen bei.
(Bild: ROHM Semiconductor)

Neben dem Design, das mit vielen Innovationen in der Benutzerinteraktion einhergeht, sind Sicherheitsfunktionen ein weiterer wesentlicher Aspekt. Über die Hälfte der in Bild 1 dargestellten Displays sind für die Fahrzeug- und Fahrsicherheit relevant. Die wichtigste Rolle bei der Fahrerkommunikation übernimmt an dieser Stelle das Kombi-Instrument. E-Mirrors aber auch Head-up- oder Center Information Displays (CID) müssen ebenfalls bestimmten Sicherheitsvorschriften entsprechen.

ROHM Semiconductor bietet eine breite Palette an ICs an, die speziell für Display-Anwendungen in der Automobilindustrie entwickelt wurden. Videoübertragung, Synchronisierung, Leistungsmanagement, Steuerungs- und Sicherheitsfunktionen, aber auch die Erfassung der Umgebungsbeleuchtung sowie die intelligente Steuerung der Hintergrundbeleuchtung sind einige der wichtigsten Themen, die in diesem Artikel behandelt werden.

Die Architektur eines Displays

Das Panel ist eine der wichtigsten Komponenten, wenn es um die visuelle Leistung des Displays geht. Im Folgenden werden die Komponenten bzw. ICs beschrieben, die ein solches Panel umgeben, unter der Annahme, dass es auf der TFT-Technologie basiert. Alternative Panel-Technologien wie OLED benötigen bestimmte Funktionen wie die Hintergrundbeleuchtung nicht, trotzdem ist die grundsätzliche Architektur ähnlich.

Bild 2 veranschaulicht die Komponenten, die in einem sicherheitsrelevanten Display zu finden sind, einschließlich eines zentralen Mikrocontrollers (MCU), der den korrekten und sicheren Betrieb koordiniert. Befehle und Daten, wie z.B. Diagnose- oder Steuerdaten werden typischerweise über SPI- oder I²C-Kommunikationsprotokolle zwischen den Komponenten/ICs ausgetauscht.

Bild 2: Komponentendiagramm eines Fahrzeugdisplays. Rote Komponenten/ICs sind erhältlich von ROHM Semiconductor.
Bild 2: Komponentendiagramm eines Fahrzeugdisplays. Rote Komponenten/ICs sind erhältlich von ROHM Semiconductor.
(Bild: ROHM Semiconductor)

Ein Deserializer-IC empfängt den Videostrom über eine vom Domain-Controller ausgehende Hochgeschwindigkeitsverbindung. Anschließend stellt er den Videostrom zur weiteren Verarbeitung für die einzelnen Komponenten bereit, bis dieser schließlich das Panel erreicht. Das gebräuchlichste Video-Übertragungsformat ist LVDS. Alternativ kann eDP (Embedded Display Port) verwendet werden, wodurch ein höherer Durchsatz, eine geringere Pinanzahl am IC und weniger Leiterbahnen auf dem PCB ermöglicht werden. 3, 6 oder 12 GBit/s sind typische Verbindungsgeschwindigkeiten für eine ausreichende Videoübertragung, abhängig von der Auflösung des Bildes. Falls ein Videokomprimierungsverfahren für eine effektivere Übertragung verwendet wird, wie z.B. VESA DSC oder VDC, muss der Videostrom innerhalb des Deserializer-ICs oder direkt im Anschluss dekodiert werden.

Dasselbe gilt, falls ein Verschlüsselungsverfahren wie HDCP zum Einsatz kommt. In diesem Fall muss der Videostrom entschlüsselt werden. Der Deserializer-IC empfängt den Hochgeschwindigkeits-Videostrom, stellt aber gleichzeitig einen Seitenkanal für die bidirektionale Datenkommunikation innerhalb des Fahrzeugnetzes bereit. Dieser Seitenkanal erreicht – je nach Nutzlast und verwendetem Protokoll – Geschwindigkeiten von bis zu einigen 100 MBit/s. Typischerweise werden SPI- oder I²C-Protokolle unterstützt, aber auch Ethernet ist anzutreffen. Wie im vorigen Abschnitt erläutert, unterstützt der Deserializer-IC eine Daisy-Chain-Verbindung, um die Nachteile einer Punkt-zu-Punkt-Topologie zu reduzieren, sodass ein zweites oder eventuell drittes Display an denselben Link angeschlossen werden kann.

In diesem Fall müssen zwei oder sogar mehrere Videoströme kodiert und über die gleiche physikalische Leitung übertragen werden. Jeder Videostrom wird dann entweder mit Hilfe des Super-Frame-Merging- und Splitting-Verfahrens oder mit Hilfe mehrerer zusammengefasster logischer Videosignale im Übertragungsprotokoll auf die einzelnen Displays verteilt.

Darstellung Graphischer Informationen per OSD

Wenn Fehlermeldungen, Kontrollleuchten oder andere graphische Elemente das eingehende Video überlagern sollen, ist eine OSD-Funktion (On-Screen-Display) erforderlich. Bei sicherheitsrelevanten Bildinhalten müssen das Timing und die Pixelwerte der Darstellung geprüft werden. Diese Operationen müssen on-the-fly verarbeitet werden, ohne Verzögerung oder umfangreiche Zwischenspeicherung. Ein dedizierter IC mit einer Kontroll- und OSD-Funktion wird meist kombiniert mit einer Schnittstellenanpassung und optionaler Bildaufteilung sowie Formatkonvertierung. Alternativ können einige dieser Funktionen in einem Timing-Controller-IC (T-Con) implementiert werden.

Integritätsprüfungsoperationen wie CRC (Cyclic Redundancy Check) werden Pixel für Pixel oder innerhalb vordefinierter Rechtecke auf den Bildinhalt angewendet, in einigen Fällen sogar auf das gesamte Videobild. Mit dieser Methode können die tatsächlich angezeigten Pixelinhalte effektiv mit den vordefinierten und gespeicherten Werten verglichen werden, die den Anforderungen des Sicherheitsziels entsprechen. Jedoch kann sich der Vergleich des CRC-Wertes, z.B. eines rechteckigen Tell-tales (Bild 3), als schwierig erweisen, wenn das Hintergrundbild nicht vorhersehbar ist, z.B. bei der Darstellung einer Navigationskarte oder einer Rückfahrkamera.

Bild 3: a) Erkennung von ähnlicher Farbe und ähnlichem Kontrast zwischen Vordergrund- und Hintergrund-layer b) Selektiver Vergleich von Pixeln auf einem zufälligen Hintergrundbild c) Einführung eines Farb-layers mit Alpha zur besseren Lesbarkeit von OSD-Zeichen d) Layer-modell mit OSD-, Referenz- und Hintergrund-layer.
Bild 3: a) Erkennung von ähnlicher Farbe und ähnlichem Kontrast zwischen Vordergrund- und Hintergrund-layer b) Selektiver Vergleich von Pixeln auf einem zufälligen Hintergrundbild c) Einführung eines Farb-layers mit Alpha zur besseren Lesbarkeit von OSD-Zeichen d) Layer-modell mit OSD-, Referenz- und Hintergrund-layer.
(Bild: ROHM Semiconductor)

Bei geringem Kontrast oder unzureichender Helligkeit des Displays kann der Fahrer in seinem Entscheidungsprozess gestört werden oder irritiert reagieren. Software- oder Hardware-Fehler erschweren den Betrieb und müssen erkannt und behoben werden. Das volldigitale Kombi-Instrument muss im Fehlerfall in einem reduzierten Modus auf dem OSD-Layer die wichtigsten Informationen und Meldungen anzeigen. Dies muss auch ohne eingehenden Videostrom vom Domain-Controller möglich sein. Wichtige Fahrzeuginformationen wie Gangstellung, Motorbetrieb usw. müssen jederzeit visualisiert werden (Bild 4). Aus Redundanzgründen wird empfohlen, den Fahrzeugstatus über den CAN-Bus „abzuhören“.

Bild 4: Anzeige des Kombi-Instruments im reduzierten Modus ohne Hintergrundvideo.
Bild 4: Anzeige des Kombi-Instruments im reduzierten Modus ohne Hintergrundvideo.
(Bild: ROHM Semiconductor)

Nach der Komposition und Validierung des Videoinhalts ist eine weitere Helligkeitsanalyse erforderlich, im Falle, dass eine Hintergrundbeleuchtung mit Local-Dimming implementiert wird. Jeder einzelne Dimmbereich erfordert eine lokale Pixelanpassung der Helligkeitswerte. Jedes Videobild muss auf der Grundlage einer definierten Matrix verarbeitet werden. Eine typische Matrix könnte bei einem 12,1-Zoll-Panel aus etwa 300 oder mehr Blöcken bestehen.

Die Steuerung des Panels

Der Timing-Controller (T-Con) ist für die Ansteuerung der Source- und Gate-Treiber-ICs, die sich am Panel befinden, entsprechend dem Bildinhalt verantwortlich. Für größere Displays und höhere Auflösungen als HD (1920x720) werden üblicherweise mehrere T-Con-ICs parallelgeschaltet, um das TFT-Panel anzusteuern. Die Anzahl der T-Con-ICs geben die Anzahl der LVDS- oder eDP-Kanäle vor, die für die Einspeisung des Videostroms für jeden T-Con erforderlich sind. Am T-Con Ausgang und im Falle eines breiten Pilar-to-Pilar-Panels müssen Verbindungen zwischen dem T-Con und den Treibern unterstützt werden, die länger als 0,5m werden können.

Um eine solche Hochgeschwindigkeitsverbindung zu unterstützen, hat ROHM die RL-Link-Technologie entwickelt. Dabei werden jedoch im Gegensatz zu einer Standard-mini-LVDS-Verbindung auch die Sicherheitsanforderungen besonders berücksichtigt. Zur Unterstützung der In-Cell-Touch-Technologie werden T-Cons oft mit der Touch-Funktion kombiniert (TDDI: Touch Display Driver Integration). Eine zusätzliche Touch- Sensorschicht ist daher überflüssig und somit verbessern sich die visuellen Eigenschaften des Panels.

Ansteuerung der Hintergrundbeleuchtung

Bei TFT-Panels ist es wichtig, dass die Hintergrundbeleuchtung über eine angemessene Kontrastdynamik und eine entsprechende Steuerung verfügt. Doch auch eine angemessene Auflösung und ein großer Dimmbereich unter verschiedenen Umgebungslichtbedingungen sind für ein positives Nutzererlebnis von großer Bedeutung. Bei Verwendung der TFT-Technologie ist eine externe LED-Lichtquelle oder Hintergrundbeleuchtung erforderlich, die sich hinter dem TFT-Display befindet. Die LEDs der Hintergrundbeleuchtung sind entweder entlang der Kante oder gleichmäßig über die gesamte Panelrückfläche positioniert.

Bei Anwendungen mit Local-Dimming werden die LEDs in definierten Matrixblöcken positioniert, in denen das Licht in Abhängigkeit vom Videoinhalt moduliert wird. Dies hat den Vorteil, dass aufgrund der dynamischen Kontrastmodulation der LEDs und einer geringeren Verlustleistung bei der Gesamtleistung der LEDs eine höhere Helligkeitsauflösung erreicht wird. Bei der Auswahl eines LED-Treibers für Anwendungen im Automobilbereich müssen wichtige Voraussetzungen beachtet werden. Zum Beispiel muss ein konstanter Stromfluss unter verschiedenen Bedingungen wie Spannungsschwankungen beim Fahrzeugstart gewährleistet sein.

Abhängig von den Anforderungen an die Ausgangsspannung, die durch die Anzahl der LED-Elemente der Serie in dem spezifischen Kanal bestimmt wird, können Buck-, Boost- oder Buck-Boost-Topologien verwendet werden. Die Eingangsspannungs-Anforderung entspricht der Batteriespannung einschließlich aller Spannungsschwankungen, die z.B. aufgrund von Störungen oder in der Verkabelung auftreten können.

Dimmmethoden wie DC- oder Analog-Dimming, PWM-Dimming oder eine Kombination von DC und PWM (sogenanntes Hybrid-Dimming) ermöglichen einen sichereren Betrieb bei allen Umgebungslichtbedingungen. Besonders PWM ist eine beliebte Dimmingmethode, denn sie garantiert eine lineare Dimmleistung und hohe Auflösung insbesondere bei niedrigen Dimmstufen. Außerdem gewährleistet das Hybrid-Dimmen eine korrekte Farbbalance und eine gute Störfestigkeit über den gesamten Dimmingbereich.

Auch die Rauschimmunität wird verbessert, indem während der PWM-Steuerung eine Phasenverschiebung der verschiedenen LED-Kanäle vorgenommen wird, wodurch die Brummspannung reduziert und wahrnehmbares Rauschen vermieden wird. Die Phasenverschiebung reduziert zusätzlich die optische Wellenbildung, was wiederum den Wasserfalleffekt bei TFT-Displays vermeidet. Bei diesem unerwünschten Effekt entstehen aufgrund von Interferenzen zwischen der TFT-Wiederholfrequenz und der PWM-Frequenz über dem angezeigten Bild durchlaufende dunkle Bänder.

Eine weitere wichtige Anforderung ist die Verbindung des LED-Treibers mit der MCU entweder über eine SPI- oder I2C-Schnittstelle. Dies ermöglicht eine flexible und einfache Steuerung verschiedener LED-Einstellungen und gewährleistet eine ordnungsgemäße Überwachung der Sicherheitsfunktionen und die Durchführung von Diagnosen, um die Anforderungen an die funktionale Sicherheit gemäß der Norm ISO26262 und des angenommenen ASIL (z.B. ASIL B für Displays) zu gewährleisten.

Stromversorgung für den störungsfreien Betrieb

Eine robuste und sichere Stromversorgung ist für einen stabilen und kontinuierlichen Betrieb unerlässlich. Schaltregler in Kombination mit einer Multispannungsüberwachung werden häufig für die Primär- oder Sekundärstufe (Bild 2), mit oder ohne integrierten FET (Boost/Buck/Buck-Boost), in ein- oder mehrkanaliger Konfiguration verwendet. Die Kontrolle der verschiedenen Spannungsstufen wird mit einem Spannungsüberwacher (Voltage Supervisor) gewährleistet, damit die Anforderungen an die funktionale Sicherheit, z.B. für ASIL B, erfüllt werden.

Ein primärer DCDC (5-V- oder 3,3-V-Ausgang) muss nahtlos in einem weiten Eingangsspannungsbereich (3,5 V bis 40 V) arbeiten und einen hohen Ausgangsstrom (über 3 A), einen sehr niedrigen Ruhestrom (10 µA) und eine wählbare Schaltfrequenz zusammen mit geringem Rauschen mit Hilfe einer Spread-Spektrum Funktion liefern. Die primären LDOs für die permanente Versorgung müssen ebenfalls in einem weiten Eingangsspannungsbereich (bis zu 45 V), einem sehr niedrigen Ruhestrom (unter 2 µA) und einem hohen Ausgangsstrom arbeiten. Der sekundäre DCDC muss typischerweise verschiedene Spannungspegel (1 V; 1,2 V; 1,5 V; 1,8 V; 3,3 V) liefern, idealerweise mit integrierten P&N-Kanal-MOSFETs.

Ein dediziertes PMIC für das Panel

Ein dediziertes TFT-PMIC (Power Management IC) unterstützt die spezifischen Spannungen des Panels. Für die Ansteuerung des TFT werden vier Versorgungen benötigt, und jede Versorgung stellt wiederum spezifische Anforderungen. Die Versorgung für die Videodatenleitung erfordert eine geringe Spannungswelligkeit, eine große Immunität gegen jegliche Transienten oder Interferenzen, um LCD-Artefakte wie Flimmern zu verhindern. Hierfür wird ein Aufwärtswandler verwendet.

Die Gate-Versorgung, die für die Aktivierung und Deaktivierung des TFT unerlässlich ist, stellt weniger strenge Anforderungen und verwendet zur Erzeugung der Spannungen die Ladungspumpentechnologie. Eine Temperaturkompensation wird eingesetzt, um ein korrektes Schalten bei niedriger Temperatur zu gewährleisten.

Die Backplane wird mit einer Referenzspannung versorgt; ihre Schlüsselparameter sind Ausgangsstromfähigkeit, Bandbreite und Anstiegsgeschwindigkeit. Sie schwankt je nach Video- oder Gate-Änderungen und verfügt über Kalibrier- und Temperaturkompensationsfunktionen.

Die funktionale Sicherheit erfordert die Überwachung von Spannungsanomalien. Im Falle einer Spannungsanomalie wird der Betrieb automatisch abgeschaltet. Erkannt werden diese Anomalien durch Diagnosefunktionen mit redundanten Registern. Sie beinhalten eine automatische Aktualisierung, die eine Wiederherstellung ermöglicht. Dies garantiert eine hohe Zuverlässigkeit und eine hohe Störfestigkeit. Die Schnittstelle zwischen dem TFT-PMIC und der MCU verwendet I2C, was eine flexible und einfache Steuerung der PMIC-Register und eine angemessene Überwachung der Schutz- und Diagnosefunktionen ermöglicht. Auf diese Weise können die Anforderungen an die funktionale Sicherheit erfüllt werden.

Die wichtigste Kommunikationsschnittstelle im Fahrzeug

Displays stellen die wichtigste Kommunikationsschnittstelle in modernen Fahrzeugen dar. Sie müssen zuverlässig, sicher, aber auch benutzerfreundlich und attraktiv sein. Innovationen im Bereich des autonomen Fahrens sind ohne die Integration, der durch Displays erzeugten, intuitiven Umgebung schwer zu realisieren.

Autodesigner forcieren die von Verbrauchern und Marketingexperten geforderten technischen Möglichkeiten heraus und schließen immer mehr die Lücke zu vergleichbar agileren Märkten wie dem Consumer-Markt. ROHM Semiconductor bietet ein umfassendes Produktportfolio, um die hohen Standards der Automotive-Branche für jedes Display zu erfüllen.

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