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作者：英飛凌汽車業務首席現場應用工程師 蘇星 英飛凌汽車電子事業部產品應用工程師 Fragiacomo Fabio 在現代汽車中，眾多電子控制單元（ECU）負責控制各種功能，如發動機管理、傳動控制、制動系統和信息娛樂系統。每個ECU通常都配備有自己的MCU，這增加了汽車電氣架構的總體復雜性和成本。車燈的情況也是如此，前后左右的車燈通常都有各自獨立的ECU。尤其在一些車燈包含成百上千個像素，或者燈是由多塊分散的印刷電路板（PCB）組成時，以市場現存大量量產的LED驅動解決方案而言，每個燈板都需要使用一片MCU來作為控制的轉發點來提升系統的可靠性，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恒流源驅動芯片，具有全面的保護和診斷功能，支持高達2M通訊速率UART OVRE CAN。它旨在控制最高達 76.5 mA 電流的 LED 作為線性電流 sink（LCS）。并聯電源輸出級實現更高的負載電流。每個獨立的電源輸出級都配置了存儲在 OTP 中的 6 位電流設置值，并且可以設置 16 個獨立的 PWM 配置。高速照明接口用于設備 OTP 編程、配置、控制和診斷反饋。該芯片可以直接驅動多像素LED，并且省去燈板上額外的MCU。此外， TLD7002-16ES可以用作網關來控制其它的外置LED驅動，例如：線性恒流源（英飛凌LITIX™ Basic+家族）或者DC/DC轉換器（LITIX™ Power）。再不增加額外MCU的基礎上，可以沿用現有的方案，甚至減少UART OVER CAN 線性LED驅動芯片數量，以支持更高的系統輸出電流。通過以上方式可以有效優化系統成本。 2. 基于TLD7002-16ES網關描述 TLD7002-16ES 是一款具有 HSLI 接口（CAN OVER UART）的智能 16 通道 LED 驅動器。 在英飛凌TLD7002-16ES的參考設計中，該芯片被用作網關，以控制多個外部 LED 驅動器，包括線性電流源（LITIX™ Basic+ 家族）或 DC/DC 轉換器（LITIX™ Power 家族）。 以下將這些不在TLD7002-16ES上集成的LED驅動器稱為外部LED驅動器。這些外部驅動器負責驅動連接到外部 LED 驅動器上的LED，而直接負載則是指由 TLD7002-16ES 輸出直接驅動的 LED。 網關方法具有以下優勢： • 將 UART over CAN 接口帶到現有的 LED 驅動器 • 從 LED 驅動器單元中刪除微控制器 • 增加 TLD7002-16ES 的電流能力（通道數和最大電流） • 通過在多個 LED 驅動器上分配熱量來改善熱管理 
圖1：TLD7002-16ES網關實現范例 使用 TLD7002-16ES 作為網關來控制外部 LED 驅動器，需要以下連接： • TLD7002-16ES 的 OUTn 通道提供 PWM 信號給外部 LED 驅動器 • 診斷基于外部 LED 驅動器的 Fault/ERR 引腳。Fault 引腳由 TLD7002-16ES 的 OUTn 通道或相鄰的 OUTn+1 通道采樣，具體取決于應用程序。 因此，一個“網關通道”可能占用 TLD7002-16ES 的兩個輸出：一個用于 PWM，一個用于診斷。
圖2：外部的LED驅動和TLD7002-16ES的臨近的2個通道連接 當多個線性電流源連接到單個 PWM 輸出，并且 Fault 引腳收集到一個 TLD7002-16ES 輸出時，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 TLD7002-16ES 通道可以通過簡單的變通方法同時服務 PWM 和診斷目的。
圖3：PWM和診斷合并在TLD7002-16ES的單個輸出 3. 基于TLD7702-16ES的網關設計要點 3.1 使用TLD7002-16ES產生PWM TLD7002-16ES 是一個低側開漏電流沉，因此它生成的 PWM 是反向。這個反轉的 PWM 信號可以通過軟件輕松，但更優的方法是在TLD7002-16ES 拉電流時產生高電平 PWM（即 TLD7002-16ES 輸出使能時）。保持反向的 PWM 可能會在外部 LED 驅動器的輸出端產生非期望的毛刺。 PWM 信號的反向可以通過使用一個簡單的 BJT晶體管來實現，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，可以進一步減少功率損耗。但是，這可能會導致虛假的開路（OL）檢測和 OUT12通道的電流警告，應用軟件必須忽略這些警告。或者，基極電阻 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 CUR_WRN 或 OL 警告。
圖4：TLD7002-16ES PWM信號整形 3.2 用一個TLD7002-16ES輸出來覆蓋外置LED驅動器PWM和診斷
圖5：粘合邏輯以提供PWM并監控故障引腳 使用單個 TLD7002-16ES 引腳和簡單的粘合邏輯電路，可以執行 PWM 并檢索外部 LED 驅動器的診斷信息。該電路有以下主要任務： • 當 TLD7002-16ES OUTn 引腳流出電流時，生成反向的 PWM 信號到外部 LED 驅動器的 PWM輸入端。 • 如果外部 LED 驅動器出現故障，生成開路 OL 或正向壓降警告VFWD_WRN 故障信號在 TLD7002-16ES OUTn 引腳上。 具體工作原理如下：Q9 晶體管實際上為TLD5191ES提供了一個清晰的（邏輯電平 HIGH/LOW）PWM 信號。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）存儲器中設置為 1.25 V，那么在外部 LED 驅動器故障期間降低的 VFWD 電壓將在 TLD7002-16ES OUTn引腳上產生 VFWD_WRN信號。 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，因為 TLD7002-16ES 的診斷是基于差分電壓讀取 VLED-OUTn（或 VS-OUTn）來實現的。此外，外部 LED 驅動器（TLD5191ES）的 PWM 信號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 OUTn 流出電流時， PWM > max PWM(H) 閾值 • 當 OUTn 不流出電流時，PWM < max PWM(L) 閾值 • 規則 1：在錯誤出現時，OUTn 應該產生 VFWD（OUTn-VLED）< VFWD_WRN 閾值。計算該要求時，假設OUTn 流出的電流為 IOUTn(max) • 規則 2：在 ERRN 不流出電流時，OUTn 引腳不應產生 VFWD（OUTn-VLED）> VFWD_WRN 閾值。計算該要求時，假設OUTn 流出的電流為 IOUTn(min) • 可選規則：確保 OUTn > OL（0.5 V），以避免誤觸發OL 檢測 診斷檢測機制： 當 ERRN 流出電流（錯誤出現）時，R4 被旁路，由 OUTn 讀取VFWD = VBE(Q9) + VSAT(Q90)，在這種情況下，會將產生一個 VFWD_WRN（小 VFWD）。 當 ERRN 不流出電流（錯誤不出現）時，R4的壓降必須足夠大，以防止 OUTn 檢測 VFWD_WRN 或 SLS。然而，這個壓降又不能過大，以免觸發 OL 警告。 OTP 設置： • 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，該值必須大于 VBE(Q9)（低溫）+ VSAT(Q90) => ，只有在這種情況下，錯誤才會被檢測到。 3.3 網關控制LED驅動器的診斷小技巧 對于指令應用程序，例如BCM，要檢測外部LED驅動器通道中的故障，需要一個TLD7002-16ES輸出采樣外部驅動器的Fault（或ERR）引腳。 為了利用TLD7002-16ES的診斷功能，例如去抖動功能，當外部LED驅動器的故障引腳活動時，觸發TLD7002-16ES的警告標志是一種便捷的方法。實現這一點的一種方法是使用外部驅動器的故障引腳來觸發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現的，如圖9和圖10所示。 OL和VFWD警告檢測機制在TLD7002-16ES數據手冊中有詳細解釋。 3.4 網關通道上PWM順序和相移的考慮 如果在兩個不同的 TLD7002-16 通道上執行 PWM 和診斷（見圖6），那么正確地分配 PWM 和 DIAG TLD7002-16 通道號碼并了解其 PWM 約束是非常重要的。在網關通道上的 PWM-診斷序列應該按照以下順序進行： • TLD7002-16ES OUTn 通道將通過 PWM 引腳打開外部 LED 驅動器 • TLD7002-16ES OUTn+1 通道將采樣外部 LED 驅動器的 FAULT 引腳 在診斷 ADC 讀取之前提供 PWM 是有利的，以確保外部 LED 驅動器已被激活，從而使其故障引腳能夠被 TLD7002-16 正確采樣。但是，通過適當的去抖動設置，這個順序要求可以被忽略。為了實現上述序列，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 開啟時間約束，以確保準確的診斷讀取，因為大多數診斷標志在 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 數據手冊 [5] 中有詳細描述。 • 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通道的數量。因此，網關 DIAG 和 PWM 通道必須遵守適當的最小占空比。 例如，在圖6中，網關函數在 OUT1和OUT2 上實現，同時考慮以下情況，并將 OUT0 分配給不同的 LED燈串： • 在網關 PWM 通道之前的通道 OUT0 啟用相移，這減少了接下來兩個通道的 PWM 最小占空比約束 • 網關函數 PWM 和 DIAG 通道（OUT1, OUT2）禁用相移，這減少了 PWM 和 DIAG 讀取之間的時間，導致最小 PWM 占空比等于：tOUTnPW > tdiag_dly + (2+1) * tDIAG_ON
圖6：TLD7002-16ES網關通道時序：PWM產生和診斷采樣 4. 驅動外部的LITIX Basic+ 線性芯片來實現擴流 TLD2331-3EP作為一個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 信號分別連接到 TLD7002-16ES 的3個輸出端，這些輸出端分別控制3個 IN_SET 通道。每個通道可以獨立控制，實現高精度的電流調節和出色的動畫效果。 TLD2331-3EP芯片的 ERRN 引腳連接到下一個可用的 TLD7002-16ES 輸出端，用于故障診斷。
圖7：驅動外部線性恒流源TLD2331-3EP TLD1173-1ET 與 TLD7002-16ES 之間的連接如下： 一個 TLD7002-16ES 輸出端同時連接到 TLD1173-1ET 的 PWM 和 ERRN/DEN 引腳。 PWM 和 ERRN/DEN 膠合邏輯電路在之前章節中詳述過。
圖8：驅動單通道低邊線性恒流源芯片TLD1173-1ET 5. 網關應用OTP配置范例 網關通道的最相關 OTP 配置如下： • 將診斷輸出組設置為 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） • 如果電路測試時模擬 TLD7002-16 的 OTP，或者將 SLS 閾值鎖定為“鎖定”，否則 TLD7002-16 將選擇默認的 SLS 閾值 • 如果 PWM 和 ERRN 粘合邏輯如圖5所示，將 VFWD_WRN 閾值設置為 1.25 V。這將在 ERRN 拉低時檢測到 VFWD_WRN • 將診斷去抖動配置設置為 4-6 個周期，以減少虛假錯誤檢測 • 在每個網關函數的第一個通道之前啟用相移，在同一個網關函數的通道之間禁用相移 這允許降低最小占空比（見 TLD7002-16ES 數據手冊 [5] 的第 7.2 章） 例如，對于圖5中的電路，啟用 OUT0 的相移，禁用 OUT1, 2, 3, 4 的相移 • 將 SLS 設置為 0，以便只關心 VFWD_WRN 標志 有關 OTP 模擬和編程的更多詳細信息，請參閱 TLD7002-16 OTP 編程 [3] 和 OTP 參數設置 [4] 應用筆記。 6. 結論 TLD7002-16ES智能網關芯片通過UART OVER CAN通訊口線，實現車燈ECU的MCU-Less架構。這種設計減少了40%硬件復雜度及25%線束需求，推動了域集中式電氣設計的革新。同時，它能更好滿足軟件定義汽車（SDV）對車燈系統的動態配置需求。單芯片集成方案替代傳統分立設計，降低30% BOM成本。作為高性價比車燈控制平臺，TLD7002-16ES兼顧了功能安全、靈活擴展與可靠性升級，為智能車燈系統提供了堅實的硬件基礎支撐。 |
