如何減少車燈控制器MCU的數(shù)量來優(yōu)化成本

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)76.5mA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UARTOVER 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：

●   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10kΩ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330Ω），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TLD7002-16ESOUTn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)門LD7002-16ES的診斷是基于差分電壓讀取VLED-OUTn（或VSOUTn）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?；蛘撸部梢允褂肨LD7002-16ES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

診斷檢測機(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=1.25V

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 警告檢測機(jī)制在TLD7002-16ES 數(shù)據(jù)手冊中有詳細(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^[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≌伎毡取?/p>

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

●   將診斷輸出組設(shè)置為VLED，并將TLD7002-16的VLED引腳連接到5V（如果PWM和ERR粘合邏輯連接到5V）

●   如果電路測試時(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1.25V。這將在ERRN拉低時(shí)檢測到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

●   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，請參閱TLD7002-16 OTP 編程和OTP參數(shù)設(shè)置應(yīng)用筆記。

6   結(jié)論

TLD7002-16ES智能網(wǎng)關(guān)芯片通過UART OVERCAN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。

（本文來源于《EEPW》202504）