如何減少車燈控制器 MCU 的數量來優化成本

來源: 英飛凌汽車電子生態圈

在現代汽車中，衆多電子控制單元（ECU）負責控制各種功能，如發動機管理、傳動控制、煞車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複雜性和成本。

車燈的情況也是如此，前後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 來作爲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 爲例，提出了一種使用 UART OVER CAN 通訊接口來降本並且提升 EMC 性能的解決方案。

介紹

TLD7002-16ES 是一款 16 通道的汽車 LED 恆流源驅動芯片，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 作爲線性電流 sink（LCS）。 並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 天生一對 中的 6 位電流設置值，並且可以設置 16 個獨立的 PWM 配置。高速照明接口用於設備 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，並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：線性恆流源（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。

基於 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 動器稱爲外部 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 網關實現範例

使用 TLD7002-16ES 作爲網關來控制外部 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

• 診斷基於外部 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 通道採樣，具體取決於應用程序。

因此，一個“網關通道”可能佔用 TLD7002-16ES 的兩個輸出：一個用於 PWM，一個用於診斷。

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，並且 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 和診斷合併在 TLD7002-16ES 的單個輸出

基於 TLD7702-16ES 的網關設計要點

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鬆，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 TLD7002-16ES 的 OUT12 通道的電流設置爲最小值（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

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 並監控故障引腳

使用單個 TLD7002-16ES 引腳和簡單的粘合邏輯電路，可以執行 PWM 並檢索外部 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。

具體工作原理爲：

Q9 晶體管實際上爲 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）存儲器中設置爲1.25 V， 那麼在外部 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，因爲 TLD7002-16ES 的診斷是基於差分電壓讀取 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 引腳作爲 PWM 粘合邏輯的供電電壓，但需注意 VDD 引腳最多隻能提供 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 流出的電流爲 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 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，用於減少功率損耗。

• VFWD_WRN = 1.25 V 。在 R4 被旁路時，該值必須大於 VBE(Q9)（低溫）+ VSAT(Q90) =>，只有在這種情況下，錯誤才會被檢測到。

網關控制 LED 驅動器 的診斷小技巧

對於指令應用程序，例如 BCM，要檢測外部 LED 驅動器通道中的故障，需要一個 TLD7002-16ES 輸出採樣外部驅動器的 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 的警告標誌是一種便捷的方法。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。

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），那麼正確地分配 PWM 和 DIAG TLD7002- 16 通道號碼並暸解其 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 通道將採樣外部 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 正確採樣。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 通道指定爲 PWM 通道，將 OUTn+1 通道指定爲診斷通道。

TLD7002-16ES 具有最小 PWM 開 啓 時 間 約 束， 以 確 保 準 確 的 診 斷 讀 取， 因 爲 大 多 數 診 斷 標 志 在 TLD7002-16 上都是基於 VFWD 讀取的。這些約束在此 簡要概述，並在 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 等於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佔空比。

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，並將 OUT0 分配給不同的 LED 燈串：

• 在網關 PWM 通道之前的通道 OUT0 啓用相移，這減少了接下來兩個通道的 PWM 最小佔空比約束

• 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 佔 空 比 等 於：

tOUTnPW > tdiag_dly + （2+1）* tDIAG_ON

圖6 TLD7002-16ES 網關通道時序：PWM 產生和診斷採樣

驅動外部的 LITIX Basic + 線性芯片來實現擴流

TLD2331-3EP 作爲一個 3 通道的高邊恆流源，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，用於故障診斷。

圖7 驅動外部線性恆流源 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恆流源芯片 TLD1173-1ET

網關應用 OTP 配置範例

• 將診斷輸出組設置爲 VLED，並將 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 閾值鎖定爲“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 閾值設置爲 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爲 4-6 個週期，以減少虛假錯誤檢測

• 在每個網關函數的第一個通道之前啓用相移，在同一個網關函數的通道之間禁用相移

這允許降低最小佔空比（見 TLD7002-16ES 數據手冊 [5] 的第 7.2 章） 。例如，對於圖 5 中的電路，啓用 OUT0 的相移，禁 用 OUT1，2，3，4 的相移 ，將 SLS 設置爲 0，以便只關心 VFWD_WRN 標誌 。

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。

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% 硬件複雜度及 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。作爲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，爲智能車燈系統提供了堅實的硬件基礎支撐。

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