汽车尾灯创新
从可有可无的照明系统到汽车设计中不可或缺的组成部分，从灯泡到LED：一个世纪以来，汽车尾灯系统取得了长足的发展，进入自动驾驶时代，它们将发挥更大作用。
从19世纪80年代末一直到20世纪10年代末，在汽车时代初期，汽车数量很少，行驶速度也很慢：汽车仅配备前照灯，就像标准马车那样。尾灯系统并非强制性要求，后雾灯和刹车灯则根本不存在，驾驶员通过打手势来指示转弯。
随着汽车行驶速度加快和夜间行驶增多，需要有更可靠的方式来传达驾驶员的意图。从蜡烛改为煤油灯和在汽车尾部提供照明，已迫在眉睫。
20世纪50年代，随着线束架构问世，电灯和适当的尾灯系统成为汽车标配设备的组成部分。与此同时，指示停车、转弯、减速和倒车等的信号灯开始出现。20世纪80年代兴起的CHMSL（中央高位刹车灯）是最新的尾灯系统主要新功能。
尾灯系统是最早的人车交互系统之一：其主要功能不是直接改善驾驶员体验，而是以清晰明确的方式，与其他道路使用者进行有效沟通和交互，以减少交通事故。
从灯泡到LED
在任何照明应用中，LED都可以被视为重大技术变革。LED提高了系统能效和可靠性。汽车照明系统发生了翻天覆地的转变：从每个功能使用一个或两个灯泡变为多个LED，从标准圆形外壳到任何线条形状。此外，现在还可以提供具备动画效果的动态照明功能。
不仅如此，尾灯系统从纯粹的功能性通信系统变身为汽车制造商设计语言的重要要素。得益于更小巧的LED尺寸，新的照明效果和视觉效果现已投入使用。
具备动画效果的动态转向灯就是一个很好的例子。这个特性对沟通效率的提升不大，也不会直接改善驾驶员体验。然而，它能非常有效地表现出独特风格，给其他道路使用者留下深刻印象。诸如问候或徽标动画等新的动态和装饰照明功能也已问世。
尾灯系统中的LED矩阵能够显示附加信息，如在制动时或在滑行模式下显示“停车”或“慢行”字样。然而，这种情况下，仍有必要确保汽车制造商遵守国家法规，因为这一特性与世界标准公约恰恰相反，可能造成混淆或导致其他驾驶员需要花时间来读取和解读讯息从而减慢响应速度。
信号线传输架构——现状和局限性
首个标准尾灯架构基于来自车身控制模块（BCM）的信号线传输，后者充当了主用智能主控器。在这种设置中，单片机（MCU）部署在车身控制模块中，电源管理集成电路（PMIC）和收发器（TRX）则分别向MCU供电和与其他模块通信。
在这种架构中，一条信号线对应于一个照明功能。有时候，电源线和信号线合二为一。可利用诸如英飞凌PROFET TM+2器件等智能高边开关（参见图1）提供电气保护。唯一可用的功能是开关车灯以及使用数字调光来切换尾灯和刹车灯功能。
自采用灯泡以来，这种架构一直变化不大，至今仍然十分普遍，因为它实现了尾灯系统的所有基本功能：以非常简单有效的方式传达驾驶员的意图，和即使隔着很远距离也能指示车辆的存在。
诸如英飞凌LITIXTM Basic+器件等LED驱动器，驱动着每个LED灯串，以对负载电流进行高精度控制，以及实现模拟/数字调光和诊断/保护功能。如果需要一些基本动画效果，则必须为每个LED灯串再加一条从BCM到尾灯模块的控制线。（图1）
图1
散热管理挑战
散热管理是初代架构面临的最大挑战之一：温度对LED使用寿命和性能有严重影响。此外，诸如英飞凌LITIXTMBasic+等LED驱动器是线性电路，其功率耗散PDR(max)与电池电压呈线性关系。
LED能效通常随结温升高而降低，因此，可能有必要增大电流以确保同样的灯光亮度。这可能导致电流与温度之间的正反馈循环，而这是必须避免的。
等式1和2有助于更好地理解驱动器结温TJDR、LED电流ILED(max)和LED驱动器环境温度TAMB(max)之间的关系：设计人员应当确保实际热阻值Rth(JA)低于最大允许Rth(JA)(max)。
等式1：
PDR(max) = ΔVDR x ILED(max)，其中 ΔVDR = VBATT(max) - VLED
等式2：
TJDR = TAMB(max) + (PDR(max) x Rth(JA)) → Rth(JA)(max) = (TJDR - TAMB(max))/PDR(max) 等式2
极端情况示例：
VBATT(max) = 16 V
ILED(max) = 60 mA/通道
VLED = 2 V/LED，3个LED/灯串
TAMB(max) = 75°C, TJDR = 150°C
计算得出以下数据：
PDR(max) = (16 V – 6 V) x 180 mA = 1.8 W
Rth(JA)(max) = (150°C - 75°C) / 1.8 W ≈ 42 K/W
新的动画趋势要求汽车尾灯呈现的效果是完全的面而不是点，为此，可以采用光学解决方案来实现灯光漫射：其主要缺点是降低LED亮度效率，所以，现在需要增大电流或使用更多LED。
如果施加更大LED电流，那么，对于同一个驱动器则必须进一步降低最大热阻值，这导致散热系统设计工作量增加。常见的解决方案是使用更大面积PCB或更厚铜层。但是，若需要许多LED驱动器，这会对系统成本产生负面影响，或者受空间限制而无法采用这种解决方案。
一种可能的架构改良方法是在电池与LED驱动器之间插入集成式DC-DC转换器（如OPTIREGTM Switcher TLS4120或TLS4125）：现在，DC-DC转换器输出电压将固定为VLED + 1 V，并且仅需增加一点空间即可将LED驱动器的耗散功率降至最低。
这样一来，就可以在与标准架构相同的结温下实现更大电流，同时削减散热设计工作量，实现富有竞争力的系统成本。
如果单个LED驱动器超出电流限值，则可以并联额外的功率分担器件（如TLD1114-1EP），以解决这个设计任务。
单个LED短路检测功能
由于多灯串中的LED数量越来越多，检测LED故障的重要性越来越突出：如果任何LED发生断路故障，这种故障很容易检测出，因为没有电流流动，整个灯串熄灭。然而，如果是单个LED发生短路故障，则电流仍在流动，只是可能未达到最低亮度要求。
LITIXTM Basic+器件的单个LED短路（SLS）检测功能，可用于确保恰当地检测并管理这种故障，通常是关断整个灯串或灯，并向BCM发送错误反馈信号。
智能LED驱动器架构：从信号到数据传输
改变标准信号线架构的主要原因在于，需要实现更多功能与降低系统成本之间的矛盾：驱动许多LED灯串来提供动画效果灯光，将会增加线束长度、重量和成本。
为了攻克这个挑战，LED驱动器必须变得更加智能，能够通过通信总线（通常是通过CAN收发器）接收和应答BCM消息。在这种架构中，单个电源和单个通信总线就能实现尾灯系统中的任何照明功能。
智能多通道驱动器将能通过总线消息驱动多个LED灯串，并提供集成式诊断和保护功能。LED驱动器和接线数量大大减少，有助于仅通过少量软件开发工作来解决这个设计挑战。
尾灯系统也有功能安全等级，最高可达ASIL B。必须满足多个系统安全目标，并且必须达到特定FIT值。开发面向高端尾灯系统的LED驱动器必须符合ISO26262标准的规定，并且必须实现高级诊断功能（如，通信总线看门狗，或MCU故障时的可编程安全状态）。
图 2
自动驾驶照明控制装置
3级或更高级别自动驾驶需要在尾灯模块中加装其他传感器（如摄像头）。由于需要进行大量计算，新的架构应运而生，以在BCM与其他ECU/LCU（电子或照明控制装置）之间分配智能处理能力。
LCU不仅驱动LED。它们负责整辆汽车的照明功能，并通过中央网关向BCM报告（图3）。其MCU还将详细描述发送给BCM的原始传感器数据，并最终根据外部条件运行算法，以执行自适应照明功能（如在水平巷道内或遇到大雾时）。
图3
如图4所示，智能照明架构需要在BCM与LCU之间部署多条通信总线（如，以太网和CAN），以集成所需要的全部功能，并确保在各种条件下实现可接受的响应时间。
图4
这种架构存在的主要挑战是：
a) 软件开发和功能安全分析工作：
负责处理原始传感器数据的尾灯模块是确保车辆在道路上正常行驶的关键部件。功能安全和信息安全要求更为严格，开发BCM和LCU需要进行合作，并最终由不同的一级供应商进行生产或者汽车制造商直接参与生产。
b) 散热管理、EMC和静态电流：
外壳内部空间有限造成了散热管理挑战。MCU及众多器件和负载导致耗散功率增加。
为优化集成，MCU电源也可以是SBC（系统基础芯片，如TLE9471），它可充当MCU看门狗，以确保功能安全和提供CAN通信。
满足EMC要求也可能颇具难度，因为净空有限，并且有多个开关器件。为了优化EMC性能，扩展频谱频率调制是一项非常重要的功能，TLS4120或TLS4125（DC-DC转换器）和LITIXTM Power TLD5190（DC-DC控制器）也具备这个特性。最后，最终设计必须将系统总静态电流值纳入考虑：为此，最重要器件特性之一是休眠模式处理能力，以减少车辆停泊状态下发生的漏电，并且仅在需要时恢复满负荷运行。
结语
在不到一个世纪的时间里，尾灯系统取得了长足的发展。在汽车时代初期，人们甚至不认为汽车必须配备尾灯，而现在，它们却对汽车设计和驾驶员体验有着举足轻重的影响。两项主要技术进步帮助彻底改变了尾灯架构：LED和通信协议。现在，汽车设计师可以随心所欲地设计照明模块外形，并仅用少量器件来驱动许多LED灯串，以实现引人注目的动画效果。尾灯系统的任务已从标准的LED驱动，发展到复杂的动画效果管理，以及安全关键型任务和数据处理任务。在任何架构中，英飞凌都能应对设计师面临的挑战，满足并超越当前及未来的要求，譬如，智能LED驱动器、DC-DC转换器或控制器以及SBC。
关于作者
Giovanni Parrino，英飞凌科技（意大利）现场应用工程师
