芯耀
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作者：英飛凌汽車業(yè)務(wù)首席現(xiàn)場應(yīng)用工程師 蘇星
英飛凌汽車電子事業(yè)部產(chǎn)品應(yīng)用工程師 Fragiacomo Fabio
在現(xiàn)代汽車中，眾多電子控制單元（ECU）負(fù)責(zé)控制各種功能，如發(fā)動(dòng)機(jī)管理、傳動(dòng)控制、制動(dòng)系統(tǒng)和信息娛樂系統(tǒng)。每個(gè)ECU通常都配備有自己的MCU，這增加了汽車電氣架構(gòu)的總體復(fù)雜性和成本。車燈的情況也是如此，前后左右的車燈通常都有各自獨(dú)立的ECU。尤其在一些車燈包含成百上千個(gè)像素，或者燈是由多塊分散的印刷電路板（PCB）組成時(shí)，以市場現(xiàn)存大量量產(chǎn)的LED驅(qū)動(dòng)解決方案而言，每個(gè)燈板都需要使用一片MCU來作為控制的轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)來提升系統(tǒng)的可靠性，通訊速度以及電磁兼容（EMC）性能。本文以TLD7002-16ES為例，提出了一種使用UART OVER CAN通訊接口來降本并且提升EMC性能的解決方案。
1. 介紹
TLD7002-16ES是一款16通道的汽車LED恒流源驅(qū)動(dòng)芯片，具有全面的保護(hù)和診斷功能，支持高達(dá)2M通訊速率UART OVRE CAN。它旨在控制最高達(dá) 76.5 mA 電流的 LED 作為線性電流 sink（LCS）。并聯(lián)電源輸出級(jí)實(shí)現(xiàn)更高的負(fù)載電流。每個(gè)獨(dú)立的電源輸出級(jí)都配置了存儲(chǔ)在 OTP 中的 6 位電流設(shè)置值，并且可以設(shè)置 16 個(gè)獨(dú)立的 PWM 配置。高速照明接口用于設(shè)備 OTP 編程、配置、控制和診斷反饋。該芯片可以直接驅(qū)動(dòng)多像素LED，并且省去燈板上額外的MCU。此外， TLD7002-16ES可以用作網(wǎng)關(guān)來控制其它的外置LED驅(qū)動(dòng)，例如：線性恒流源（英飛凌LITIX? Basic+家族）或者DC/DC轉(zhuǎn)換器（LITIX? Power）。再不增加額外MCU的基礎(chǔ)上，可以沿用現(xiàn)有的方案，甚至減少UART OVER CAN 線性LED驅(qū)動(dòng)芯片數(shù)量，以支持更高的系統(tǒng)輸出電流。通過以上方式可以有效優(yōu)化系統(tǒng)成本。
2. 基于TLD7002-16ES網(wǎng)關(guān)描述
TLD7002-16ES 是一款具有 HSLI 接口（CAN OVER UART）的智能 16 通道 LED 驅(qū)動(dòng)器。
在英飛凌TLD7002-16ES的參考設(shè)計(jì)中，該芯片被用作網(wǎng)關(guān)，以控制多個(gè)外部 LED 驅(qū)動(dòng)器，包括線性電流源（LITIX? Basic+ 家族）或 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（LITIX? Power 家族）。
以下將這些不在TLD7002-16ES上集成的LED驅(qū)動(dòng)器稱為外部LED驅(qū)動(dòng)器。這些外部驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)連接到外部 LED 驅(qū)動(dòng)器上的LED，而直接負(fù)載則是指由 TLD7002-16ES 輸出直接驅(qū)動(dòng)的 LED。
網(wǎng)關(guān)方法具有以下優(yōu)勢(shì)：
- 將 UART over CAN 接口帶到現(xiàn)有的 LED 驅(qū)動(dòng)器
- 從 LED 驅(qū)動(dòng)器單元中刪除微控制器
- 增加 TLD7002-16ES 的電流能力（通道數(shù)和最大電流）
- 通過在多個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)器上分配熱量來改善熱管理
圖1：TLD7002-16ES網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)范例
使用 TLD7002-16ES 作為網(wǎng)關(guān)來控制外部 LED 驅(qū)動(dòng)器，需要以下連接：
- TLD7002-16ES 的 OUTn 通道提供 PWM 信號(hào)給外部 LED 驅(qū)動(dòng)器
- 診斷基于外部 LED 驅(qū)動(dòng)器的 Fault/ERR 引腳。Fault 引腳由 TLD7002-16ES 的 OUTn 通道或相鄰的 OUTn+1 通道采樣，具體取決于應(yīng)用程序。
因此，一個(gè)“網(wǎng)關(guān)通道”可能占用 TLD7002-16ES 的兩個(gè)輸出：一個(gè)用于 PWM，一個(gè)用于診斷。
圖2：外部的LED驅(qū)動(dòng)和TLD7002-16ES的臨近的2個(gè)通道連接
當(dāng)多個(gè)線性電流源連接到單個(gè) PWM 輸出，并且 Fault 引腳收集到一個(gè) TLD7002-16ES 輸出時(shí)，TLD7002-16ES 的總輸出通道使用量可以減少一半。
在某些情況下，單個(gè) TLD7002-16ES 通道可以通過簡單的變通方法同時(shí)服務(wù) PWM 和診斷目的。
圖3：PWM和診斷合并在TLD7002-16ES的單個(gè)輸出
3. 基于TLD7702-16ES的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
3.1 使用TLD7002-16ES產(chǎn)生PWM
TLD7002-16ES 是一個(gè)低側(cè)開漏電流沉，因此它生成的 PWM 是反向。這個(gè)反轉(zhuǎn)的 PWM 信號(hào)可以通過軟件輕松，但更優(yōu)的方法是在TLD7002-16ES 拉電流時(shí)產(chǎn)生高電平 PWM（即 TLD7002-16ES 輸出使能時(shí)）。保持反向的 PWM 可能會(huì)在外部 LED 驅(qū)動(dòng)器的輸出端產(chǎn)生非期望的毛刺。
PWM 信號(hào)的反向可以通過使用一個(gè)簡單的 BJT晶體管來實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。為了減少功率損耗，可以將 TLD7002-16ES 的 OUT12 通道的電流設(shè)置為最小值（5.6 mA）。此外，通過在基極上使用 10 kΩ 電阻，可以進(jìn)一步減少功率損耗。但是，這可能會(huì)導(dǎo)致虛假的開路（OL）檢測(cè)和 OUT12通道的電流警告，應(yīng)用軟件必須忽略這些警告?；蛘撸鶚O電阻 R78 可以使用較低的歐姆值（例如330 Ω），這樣可以允許輸出保持在較高的電平，從而防止出現(xiàn) CUR_WRN 或 OL 警告。
圖4：TLD7002-16ES PWM信號(hào)整形
3.2 用一個(gè)TLD7002-16ES輸出來覆蓋外置LED驅(qū)動(dòng)器PWM和診斷
圖5：粘合邏輯以提供PWM并監(jiān)控故障引腳
使用單個(gè) TLD7002-16ES 引腳和簡單的粘合邏輯電路，可以執(zhí)行 PWM 并檢索外部 LED 驅(qū)動(dòng)器的診斷信息。該電路有以下主要任務(wù)：
- 當(dāng) TLD7002-16ES OUTn 引腳流出電流時(shí)，生成反向的 PWM 信號(hào)到外部 LED 驅(qū)動(dòng)器的 PWM輸入端。
- 如果外部 LED 驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)故障，生成開路 OL 或正向壓降警告VFWD_WRN 故障信號(hào)在 TLD7002-16ES OUTn 引腳上。
具體工作原理如下：Q9 晶體管實(shí)際上為TLD5191ES提供了一個(gè)清晰的（邏輯電平 HIGH/LOW）PWM 信號(hào)。如果 TLD5191ES 檢測(cè)到故障，則FAULT_H 線將被拉低，從而打開 Q90晶體管，導(dǎo)致 OUTn引腳的前向電壓降低到 VBE(Q9) + 0.2 V（Q90 飽和電壓）。如果 VFWD_WRN 閾值在一次性可編程（OTP）存儲(chǔ)器中設(shè)置為 1.25 V，那么在外部 LED 驅(qū)動(dòng)器故障期間降低的 VFWD 電壓將在 TLD7002-16ES OUTn引腳上產(chǎn)生 VFWD_WRN信號(hào)。
需要注意的是，TLD7002-16ES 的 VLED 引腳和粘合邏輯的供電電壓都是連接到 IVCC_H（5 V），該電壓由TLD5191ES 提供。這是必要的，因?yàn)?TLD7002-16ES 的診斷是基于差分電壓讀取 VLED-OUTn（或 VS-OUTn）來實(shí)現(xiàn)的。此外，外部 LED 驅(qū)動(dòng)器（TLD5191ES）的 PWM 信號(hào)必須在典型的邏輯電平上工作。或者，也可以使用TLD7002-16ES的VDD引腳作為PWM粘合邏輯的供電電壓，但需注意VDD引腳最多只能提供10mA的電流。
圖 5 顯示了粘合邏輯，具有以下要求：
- 當(dāng) OUTn 流出電流時(shí)， PWM > max PWM(H) 閾值
- 當(dāng) OUTn 不流出電流時(shí)，PWM < max PWM(L) 閾值
- 規(guī)則 1：在錯(cuò)誤出現(xiàn)時(shí)，OUTn 應(yīng)該產(chǎn)生 VFWD（OUTn-VLED）< VFWD_WRN 閾值。計(jì)算該要求時(shí)，假設(shè)OUTn 流出的電流為 IOUTn(max)
- 規(guī)則 2：在 ERRN 不流出電流時(shí)，OUTn 引腳不應(yīng)產(chǎn)生 VFWD（OUTn-VLED）> VFWD_WRN 閾值。計(jì)算該要求時(shí)，假設(shè)OUTn 流出的電流為 IOUTn(min)
- 可選規(guī)則：確保 OUTn > OL（0.5 V），以避免誤觸發(fā)OL 檢測(cè)
診斷檢測(cè)機(jī)制：
當(dāng) ERRN 流出電流（錯(cuò)誤出現(xiàn)）時(shí)，R4 被旁路，由 OUTn 讀取VFWD = VBE(Q9) + VSAT(Q90)，在這種情況下，會(huì)將產(chǎn)生一個(gè) VFWD_WRN（小 VFWD）。
當(dāng) ERRN 不流出電流（錯(cuò)誤不出現(xiàn)）時(shí)，R4的壓降必須足夠大，以防止 OUTn 檢測(cè) VFWD_WRN 或 SLS。然而，這個(gè)壓降又不能過大，以免觸發(fā) OL 警告。
OTP 設(shè)置：
- IOUTn = 5.6 mA
這是 TLD7002-16 上可能的最小輸出電流，用于減少功率損耗。
- VFWD_WRN = 1.25 V
在R4 被旁路時(shí)，該值必須大于 VBE(Q9)（低溫）+ VSAT(Q90) => ，只有在這種情況下，錯(cuò)誤才會(huì)被檢測(cè)到。
3.3 網(wǎng)關(guān)控制LED驅(qū)動(dòng)器的診斷小技巧
對(duì)于指令應(yīng)用程序，例如BCM，要檢測(cè)外部LED驅(qū)動(dòng)器通道中的故障，需要一個(gè)TLD7002-16ES輸出采樣外部驅(qū)動(dòng)器的Fault（或ERR）引腳。
為了利用TLD7002-16ES的診斷功能，例如去抖動(dòng)功能，當(dāng)外部LED驅(qū)動(dòng)器的故障引腳活動(dòng)時(shí)，觸發(fā)TLD7002-16ES的警告標(biāo)志是一種便捷的方法。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一種方法是使用外部驅(qū)動(dòng)器的故障引腳來觸發(fā)TLD7002-16ES的OL警告或VFWD_WRN警告。這通常是通過外部粘合邏輯來實(shí)現(xiàn)的，如圖9和圖10所示。
OL和VFWD警告檢測(cè)機(jī)制在TLD7002-16ES數(shù)據(jù)手冊(cè)中有詳細(xì)解釋。
3.4 網(wǎng)關(guān)通道上PWM順序和相移的考慮
如果在兩個(gè)不同的 TLD7002-16 通道上執(zhí)行 PWM 和診斷（見圖6），那么正確地分配 PWM 和 DIAG TLD7002-16 通道號(hào)碼并了解其 PWM 約束是非常重要的。在網(wǎng)關(guān)通道上的 PWM-診斷序列應(yīng)該按照以下順序進(jìn)行：
- TLD7002-16ES OUTn 通道將通過 PWM 引腳打開外部 LED 驅(qū)動(dòng)器
- TLD7002-16ES OUTn+1 通道將采樣外部 LED 驅(qū)動(dòng)器的 FAULT 引腳
在診斷 ADC 讀取之前提供 PWM 是有利的，以確保外部 LED 驅(qū)動(dòng)器已被激活，從而使其故障引腳能夠被 TLD7002-16 正確采樣。但是，通過適當(dāng)?shù)娜ザ秳?dòng)設(shè)置，這個(gè)順序要求可以被忽略。為了實(shí)現(xiàn)上述序列，建議將 TLD7002-16 OUTn 通道指定為PWM 通道，將 OUTn+1 通道指定為診斷通道。
TLD7002-16ES 具有最小 PWM 開啟時(shí)間約束，以確保準(zhǔn)確的診斷讀取，因?yàn)榇蠖鄶?shù)診斷標(biāo)志在 TLD7002-16 上都是基于 VFWD 讀取的。這些約束在此簡要概述，并在 TLD7002-16 數(shù)據(jù)手冊(cè) [5] 中有詳細(xì)描述。
- 如果啟用相移：tOUTnPW > tdiag_dly + tDIAG_ON
- 如果禁用相移：tOUTnPW > tdiag_dly + (2+N) * tDIAG_ON
其中，N 等于禁用相移的前一個(gè)通道的數(shù)量。因此，網(wǎng)關(guān) DIAG 和 PWM 通道必須遵守適當(dāng)?shù)淖钚?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/497878.html">占空比。
例如，在圖6中，網(wǎng)關(guān)函數(shù)在 OUT1和OUT2 上實(shí)現(xiàn)，同時(shí)考慮以下情況，并將 OUT0 分配給不同的 LED燈串：
- 在網(wǎng)關(guān) PWM 通道之前的通道 OUT0 啟用相移，這減少了接下來兩個(gè)通道的 PWM 最小占空比約束
- 網(wǎng)關(guān)函數(shù) PWM 和 DIAG 通道（OUT1, OUT2）禁用相移，這減少了 PWM 和 DIAG 讀取之間的時(shí)間，導(dǎo)致最小 PWM 占空比等于：tOUTnPW > tdiag_dly + (2+1) * tDIAG_ON
圖6：TLD7002-16ES網(wǎng)關(guān)通道時(shí)序：PWM產(chǎn)生和診斷采樣
4. 驅(qū)動(dòng)外部的LITIX Basic+ 線性芯片來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)流
TLD2331-3EP作為一個(gè)3通道的高邊恒流源，可以與 TLD7002-16ES以如下的方式連接：
TLD2331-3EP 的3條 SET 信號(hào)分別連接到 TLD7002-16ES 的3個(gè)輸出端，這些輸出端分別控制3個(gè) IN_SET 通道。每個(gè)通道可以獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)高精度的電流調(diào)節(jié)和出色的動(dòng)畫效果。
TLD2331-3EP芯片的 ERRN 引腳連接到下一個(gè)可用的 TLD7002-16ES 輸出端，用于故障診斷。
圖7：驅(qū)動(dòng)外部線性恒流源TLD2331-3EP
TLD1173-1ET 與 TLD7002-16ES 之間的連接如下：
一個(gè) TLD7002-16ES 輸出端同時(shí)連接到 TLD1173-1ET 的 PWM 和 ERRN/DEN 引腳。 PWM 和 ERRN/DEN 膠合邏輯電路在之前章節(jié)中詳述過。
圖8：驅(qū)動(dòng)單通道低邊線性恒流源芯片TLD1173-1ET
5. 網(wǎng)關(guān)應(yīng)用OTP配置范例
網(wǎng)關(guān)通道的最相關(guān) OTP 配置如下：
- 將診斷輸出組設(shè)置為 VLED，并將 TLD7002-16 的 VLED 引腳連接到 5 V（如果 PWM 和 ERR 粘合邏輯連接到 5 V）
- 如果電路測(cè)試時(shí)模擬 TLD7002-16 的 OTP，或者將 SLS 閾值鎖定為“鎖定”，否則 TLD7002-16 將選擇默認(rèn)的 SLS 閾值
- 如果 PWM 和 ERRN 粘合邏輯如圖5所示，將 VFWD_WRN 閾值設(shè)置為 1.25 V。這將在 ERRN 拉低時(shí)檢測(cè)到 VFWD_WRN
- 將診斷去抖動(dòng)配置設(shè)置為 4-6 個(gè)周期，以減少虛假錯(cuò)誤檢測(cè)
- 在每個(gè)網(wǎng)關(guān)函數(shù)的第一個(gè)通道之前啟用相移，在同一個(gè)網(wǎng)關(guān)函數(shù)的通道之間禁用相移
這允許降低最小占空比（見 TLD7002-16ES 數(shù)據(jù)手冊(cè) [5] 的第 7.2 章）
例如，對(duì)于圖5中的電路，啟用 OUT0 的相移，禁用 OUT1, 2, 3, 4 的相移
- 將 SLS 設(shè)置為 0，以便只關(guān)心 VFWD_WRN 標(biāo)志
有關(guān) OTP 模擬和編程的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 TLD7002-16 OTP 編程 [3] 和 OTP 參數(shù)設(shè)置 [4] 應(yīng)用筆記。
6. 結(jié)論
TLD7002-16ES智能網(wǎng)關(guān)芯片通過UART OVER CAN通訊口線，實(shí)現(xiàn)車燈ECU的MCU-Less架構(gòu)。這種設(shè)計(jì)減少了40%硬件復(fù)雜度及25%線束需求，推動(dòng)了域集中式電氣設(shè)計(jì)的革新。同時(shí)，它能更好滿足軟件定義汽車（SDV）對(duì)車燈系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)配置需求。單芯片集成方案替代傳統(tǒng)分立設(shè)計(jì)，降低30% BOM成本。作為高性價(jià)比車燈控制平臺(tái)，TLD7002-16ES兼顧了功能安全、靈活擴(kuò)展與可靠性升級(jí)，為智能車燈系統(tǒng)提供了堅(jiān)實(shí)的硬件基礎(chǔ)支撐。
