Melibu: Technik für animierte Fahrzeugbeleuchtung

Halbleiterbasierte Beleuchtung hat sich im Automotive-Bereich als enormer Vorteil erwiesen, da sie im Vergleich zu den früher üblichen Glühbirnen einen viel besseren Betrieb ermöglicht. Dazu tragen nicht nur der geringere Stromverbrauch, sondern auch mehr Funktionen und eine höhere Zuverlässigkeit bei. Obwohl sich LED-basierte Beleuchtung zunächst hauptsächlich auf Fahrzeuge der Oberklasse konzentrierte, hat sie sich in den letzten Jahren auch zunehmend im Mittelklasse- und Kleinwagen-Bereich etabliert. Eine Studie von TrendForce kommt zu dem Schluss, dass diese Technik inzwischen in über 53 Prozent der neuen Pkws und in 85 Prozent der neuen Elektrofahrzeuge (EVs) zum Einsatz kommt. Bis Ende 2022 sollen diese Zahlen an die 60 bzw. 90 Prozent erreichen.

Die Bandbreite der Anwendungen, die über LED-Beleuchtung adressiert wird, nimmt ebenfalls zu – sowohl aus Sicherheits- als auch aus Komfortgründen. LEDs können sich auch als wichtiges Unterscheidungsmerkmal für Hersteller erweisen, da sie damit das innere und äußere Erscheinungsbild ihrer Fahrzeuge aufwerten können, um für potenzielle Käufer optisch ansprechender zu wirken.

Die Möglichkeit, über die „alte“ statische Beleuchtung hinauszugehen und komplexere dynamische Anordnungen anzubieten, ist etwas, das viele führende Fahrzeughersteller jetzt umsetzen möchten. Mehrfarbige Umgebungs-/Ambiente-Beleuchtung wird bereits immer beliebter. Die Fahrzeuginsassen können damit den Farbton und die Intensität der Beleuchtung im Innenraum verändern und an ihre persönlichen Vorlieben anpassen. Je nach Stimmungslage lässt sich dies einfach umsetzen. Jetzt bieten sich jedoch Möglichkeiten, noch weiter zu gehen, indem raffiniertere animierte Beleuchtung in die neuesten Fahrzeugmodelle integriert wird.

Beispiele für die verschiedenen Möglichkeiten, wie animierte Lichttechnik dem Fahrzeugdesign zugutekommt, sind in Bild 1 dargestellt. Dazu zählen animierte Blinker, Tagfahrleuchten, Logo-Plaketten und Lenkräder. All dies macht die Fahrzeuge, die damit ausgestattet sind, zu etwas Besonderem – und die Hersteller wissen, dass ihnen dies einen klaren Wettbewerbsvorteil verschafft, mit dem sie ihren Marktanteil vergrößern können. Neben der ästhetischen Aufwertung spielt die animierte Beleuchtung auch eine entscheidende Rolle für das Wohlbefinden der Verkehrsteilnehmer. Durch das stärkere visuelle Hervorheben einer sicherheitskritischen Situation kann der Fahrer schneller gewarnt werden, um Ausweichmaßnahmen einzuleiten und das Verletzungsrisiko zu senken.

Spannende neue Beleuchtungseffekte, wie die zuvor beschriebenen, erhöhen natürlich die Systemkomplexität, was wiederum die Netzwerkinfrastruktur im Fahrzeug belastet. Die bisherigen Kommunikationsprotokolle CAN (Controller Area Network) und LIN (Local Interconnect Network), auf denen viele Fahrzeuge immer noch basieren, werden dieser Aufgabe nicht gewachsen sein. Einfach ausgedrückt: Die für animierte Beleuchtung erforderlichen LED-Implementierungen sind für CAN und LIN zu umfangreich. Es sind so viele verschiedene LEDs beteiligt, die ihre Farbe zu schnell und zu häufig ändern, als dass diese Protokolle sie effizient ansteuern könnten. Diese Protokolle wären nur in der Lage, animierte Inhalte zu verarbeiten, die auf relativ kleinen LED-Matrizen gerendert werden, die sich mit langsamer Geschwindigkeit bewegen. Dies reicht nicht aus, um das Interesse der Kundenbasis zu gewinnen. Folglich ist ein alternativer Ansatz gefordert.

Das CAN-FD-Protokoll (CAN Flexible Datarate) bietet bessere Leistungsparameter als das herkömmliche CAN. Es sorgt für eine ausreichende Bandbreite, um animierte Beleuchtung zu unterstützen. Aufgrund seiner Architektur und der damit verbundenen Anforderungen ist es jedoch einfach zu teuer, um es zu rechtfertigen. Das stellt die Fahrzeughersteller vor ein Problem, da sie animierte Beleuchtung nicht nur auf ihre Oberklassemodelle beschränken wollen. Idealerweise möchten sie ihre Neuerungen über ihr gesamtes Produktportfolio hinweg einsetzen. Außerdem ist zu beachten, dass sogar CAN-FD Probleme hätte, die hohe Zahl an Treibern zu handhaben, die für größere LED-Matrizen erforderlich sind.

Angesichts der Möglichkeiten, in diesem aufstrebenden Markt größere Umsätze zu erzielen, wächst die Zahl der Unternehmen, die RGB-LED-Matrizen für den Einsatz in Fahrzeugen herstellen. Dies stellt die Fahrzeughersteller jedoch vor eine weitere Herausforderung, da die Aussicht auf eine Systemintegration unterschiedlicher Matrizen schwieriger wird – insbesondere, wenn die jeweiligen Farbempfindlichkeiten angepasst werden müssen.

Es sind noch weitere Aspekte zu beachten: So muss zum Beispiel sichergestellt werden, dass die Fahrzeugarchitektur ausreichend flexibel ist, damit diese Beleuchtungstechnik verwendet werden kann, ohne dass das Body-Control-Modul (BCM) umprogrammiert werden muss. Außerdem muss sichergestellt sein, dass das Beleuchtungssystem die notwendige Widerstandsfähigkeit besitzt, um mit den anspruchsvollen Anwendungen im Fahrzeug fertig zu werden – im Hinblick auf elektromagnetische Störungen (EMI) und elektrostatische Entladungen (ESD). Darüber hinaus sind Platzbeschränkungen zu berücksichtigen. Da das durchschnittliche moderne Fahrzeug mit Elektronik vollgestopft ist, gibt es nur noch wenig Platz für weitere Ergänzungen – vor allem, wenn dafür mehr Kabelbäume erforderlich sind (die das Fahrzeuggewicht und den Kraftstoffverbrauch erhöhen).

Um den Herausforderungen zu begegnen, denen sich Fahrzeughersteller stellen müssen, wenn sie animierte Beleuchtung in ihre kommenden Modelle integrieren möchten, hat Melexis speziell für diesen Zweck ein eigenes spezielles Protokoll entwickelt. Melexis Light Bus (Eigenschreibweise: MeLiBu) ist eine Datenanbindungsplattform für den Automotive-Bereich zur schnellen Kommunikation, die den Bedarf an optimierten, kosteneffizienten Implementierungen mit minimaler Stückliste (BoM) erfüllt. Das Ergebnis ist eine robuste Lösung, die diese komplizierten LED-Matrizen handhaben kann, die für animierte Beleuchtung benötigt werden, aber nur eine kleine Stückliste aufweist.

Basierend auf dem bestehenden 2-Mbit/s-CAN-FD-PHY und UART-Kommunikation mit Selbstsynchronisation wird Melibu von den aktuellen LED-Treiber-ICs MLX81116 und MLX81117 sowie dem OLED-Treiber-IC MLX81130 von Melexis unterstützt. Dieses lizenzfreie Protokoll ermöglicht die Echtzeit-Aktualisierung von Tausenden von RGB-LEDs im gesamten Fahrzeug, sodass animierte Inhalte ohne Latenzprobleme gerendert werden können. Obwohl Melibu anspruchsvolle Funktionen innerhalb des Fahrzeugs ermöglicht, erfordert es aufgrund seiner differenziellen Busarchitektur nur eine Standardverkabelung. Die hohen Busschwellen (CAN-FD-PHY) verleihen dem System eine sehr hohe Robustheit gegenüber EMV-Störungen und stellen sicher, dass die Lichtleistung unter allen Umständen stabil bleibt. Die CAN-FD-PHYs unterstützen fortschrittliche Sicherheitsanwendungen gemäß dem ISO26262-Standard für funktionale Sicherheit.

Animierte Beleuchtung könnte eine Möglichkeit für Fahrzeughersteller sein, sich von ihren Mitbewerbern abzuheben, aber es gibt ernsthafte technische Hindernisse, die zuerst zu überwinden sind. So muss sichergestellt werden, dass genügend Netzwerkbandbreite vorhanden ist, um die unzähligen LEDs anzusteuern. Erforderlich ist daher ein Hochgeschwindigkeits-Automotive-Busprotokoll, das es Fahrzeugherstellern einfach macht, die vielen Funktionen zu nutzen, die sich durch animierte Beleuchtung ergeben. Dieses Protokoll muss hochgradig skalierbar und flexibel sein, um damit LED-Matrizen unterschiedlicher Größe und von verschiedenen Anbietern unterstützen zu können. Darüber hinaus muss vermieden werden, dass wesentliche Änderungen am BCM oder zusätzliche Verkabelungen vorgenommen werden müssen. Mit Melibu hat Melexis eine Lösung eingeführt, die aus technischer und kommerzieller Sicht rentabel ist. Sie kombiniert die erforderliche Leistungsfähigkeit mit wenigen Bauteilen auf der Stückliste. Fahrzeuge namhafter Automobilhersteller, die mit Melibu ausgestattet sind, befinden sich bereits auf der Straße. (av)