如何减少车灯控制器MCU的数量来优化成本 TLD7002-16ES网关应用示例

作者：英飞凌汽车业务首席现场应用工程师 苏星
英飞凌汽车电子事业部产品应用工程师 Fragiacomo Fabio

在现代汽车中，众多电子控制单元（ECU）负责控制各种功能，如发动机管理、传动控制、制动系统和信息娱乐系统。每个ECU通常都配备有自己的MCU，这增加了汽车电气架构的总体复杂性和成本。车灯的情况也是如此，前后左右的车灯通常都有各自独立的ECU。尤其在一些车灯包含成百上千个像素，或者灯是由多块分散的印刷电路板（PCB）组成时，以市场现存大量量产的LED驱动解决方案而言，每个灯板都需要使用一片MCU来作为控制的转发点来提升系统的可靠性，通讯速度以及电磁兼容（EMC）性能。本文以TLD7002-16ES为例，提出了一种使用UART OVER CAN通讯接口来降本并且提升EMC性能的解决方案。

1.        介绍
TLD7002-16ES是一款16通道的汽车LED恒流源驱动芯片，具有全面的保护和诊断功能，支持高达2M通讯速率UART OVRE CAN。它旨在控制最高达 76.5 mA 电流的 LED 作为线性电流 sink（LCS）。并联电源输出级实现更高的负载电流。每个独立的电源输出级都配置了存储在 OTP 中的 6 位电流设置值，并且可以设置 16 个独立的 PWM 配置。高速照明接口用于设备 OTP 编程、配置、控制和诊断反馈。该芯片可以直接驱动多像素LED，并且省去灯板上额外的MCU。此外， TLD7002-16ES可以用作网关来控制其它的外置LED驱动，例如：线性恒流源（英飞凌LITIX™ Basic+家族）或者DC/DC转换器（LITIX™ Power）。再不增加额外MCU的基础上，可以沿用现有的方案，甚至减少UART OVER CAN 线性LED驱动芯片数量，以支持更高的系统输出电流。通过以上方式可以有效优化系统成本。

2.        基于TLD7002-16ES网关描述
TLD7002-16ES 是一款具有 HSLI 接口（CAN OVER UART）的智能 16 通道 LED 驱动器。
在英飞凌TLD7002-16ES的参考设计中，该芯片被用作网关，以控制多个外部 LED 驱动器，包括线性电流源（LITIX™ Basic+ 家族）或 DC/DC 转换器（LITIX™ Power 家族）。

以下将这些不在TLD7002-16ES上集成的LED驱动器称为外部LED驱动器。这些外部驱动器负责驱动连接到外部 LED 驱动器上的LED，而直接负载则是指由 TLD7002-16ES 输出直接驱动的 LED。

网关方法具有以下优势：
•        将 UART over CAN 接口带到现有的 LED 驱动器
•        从 LED 驱动器单元中删除微控制器
•        增加 TLD7002-16ES 的电流能力（通道数和最大电流）
•        通过在多个 LED 驱动器上分配热量来改善热管理


图1：TLD7002-16ES网关实现范例

使用 TLD7002-16ES 作为网关来控制外部 LED 驱动器，需要以下连接：
•        TLD7002-16ES 的 OUTn 通道提供 PWM 信号给外部 LED 驱动器
•        诊断基于外部 LED 驱动器的 Fault/ERR 引脚。Fault 引脚由 TLD7002-16ES 的 OUTn 通道或相邻的 OUTn+1 通道采样，具体取决于应用程序。

因此，一个“网关通道”可能占用 TLD7002-16ES 的两个输出：一个用于 PWM，一个用于诊断。


图2：外部的LED驱动和TLD7002-16ES的临近的2个通道连接

当多个线性电流源连接到单个 PWM 输出，并且 Fault 引脚收集到一个 TLD7002-16ES 输出时，TLD7002-16ES 的总输出通道使用量可以减少一半。

在某些情况下，单个 TLD7002-16ES 通道可以通过简单的变通方法同时服务 PWM 和诊断目的。


图3：PWM和诊断合并在TLD7002-16ES的单个输出

3.        基于TLD7702-16ES的网关设计要点
3.1        使用TLD7002-16ES产生PWM
TLD7002-16ES 是一个低侧开漏电流沉，因此它生成的 PWM 是反向。这个反转的 PWM 信号可以通过软件轻松，但更优的方法是在TLD7002-16ES 拉电流时产生高电平 PWM（即 TLD7002-16ES 输出使能时）。保持反向的 PWM 可能会在外部 LED 驱动器的输出端产生非期望的毛刺。

PWM 信号的反向可以通过使用一个简单的 BJT晶体管来实现，如图4所示。为了减少功率损耗，可以将 TLD7002-16ES 的 OUT12 通道的电流设置为最小值（5.6 mA）。此外，通过在基极上使用 10 kΩ 电阻，可以进一步减少功率损耗。但是，这可能会导致虚假的开路（OL）检测和 OUT12通道的电流警告，应用软件必须忽略这些警告。或者，基极电阻 R78 可以使用较低的欧姆值（例如330 Ω），这样可以允许输出保持在较高的电平，从而防止出现 CUR_WRN 或 OL 警告。


图4：TLD7002-16ES PWM信号整形

3.2        用一个TLD7002-16ES输出来覆盖外置LED驱动器PWM和诊断


图5：粘合逻辑以提供PWM并监控故障引脚

使用单个 TLD7002-16ES 引脚和简单的粘合逻辑电路，可以执行 PWM 并检索外部 LED 驱动器的诊断信息。该电路有以下主要任务：
•        当 TLD7002-16ES OUTn 引脚流出电流时，生成反向的 PWM 信号到外部 LED 驱动器的 PWM输入端。
•        如果外部 LED 驱动器出现故障，生成开路 OL 或正向压降警告VFWD_WRN 故障信号在 TLD7002-16ES OUTn 引脚上。

具体工作原理如下：Q9 晶体管实际上为TLD5191ES提供了一个清晰的（逻辑电平 HIGH/LOW）PWM 信号。如果 TLD5191ES 检测到故障，则FAULT_H 线将被拉低，从而打开 Q90晶体管，导致 OUTn引脚的前向电压降低到 VBE(Q9) + 0.2 V（Q90 饱和电压）。如果 VFWD_WRN 阈值在一次性可编程（OTP）存储器中设置为 1.25 V，那么在外部 LED 驱动器故障期间降低的 VFWD 电压将在 TLD7002-16ES OUTn引脚上产生 VFWD_WRN信号。

需要注意的是，TLD7002-16ES 的 VLED 引脚和粘合逻辑的供电电压都是连接到 IVCC_H（5 V），该电压由TLD5191ES 提供。这是必要的，因为 TLD7002-16ES 的诊断是基于差分电压读取 VLED-OUTn（或 VS-OUTn）来实现的。此外，外部 LED 驱动器（TLD5191ES）的 PWM 信号必须在典型的逻辑电平上工作。或者，也可以使用TLD7002-16ES的VDD引脚作为PWM粘合逻辑的供电电压，但需注意VDD引脚最多只能提供10mA的电流。

图 5 显示了粘合逻辑，具有以下要求：
•        当 OUTn 流出电流时， PWM > max PWM(H) 阈值
•        当 OUTn 不流出电流时，PWM < max PWM(L) 阈值
•        规则 1：在错误出现时，OUTn 应该产生 VFWD（OUTn-VLED）< VFWD_WRN 阈值。计算该要求时，假设OUTn 流出的电流为 IOUTn(max)
•        规则 2：在 ERRN 不流出电流时，OUTn 引脚不应产生 VFWD（OUTn-VLED）> VFWD_WRN 阈值。计算该要求时，假设OUTn 流出的电流为 IOUTn(min)
•        可选规则：确保 OUTn > OL（0.5 V），以避免误触发OL 检测

诊断检测机制：
当 ERRN 流出电流（错误出现）时，R4 被旁路，由 OUTn 读取VFWD = VBE(Q9) + VSAT(Q90)，在这种情况下，会将产生一个 VFWD_WRN（小 VFWD）。

当 ERRN 不流出电流（错误不出现）时，R4的压降必须足够大，以防止 OUTn 检测 VFWD_WRN 或 SLS。然而，这个压降又不能过大，以免触发 OL 警告。

OTP 设置：
•        IOUTn = 5.6 mA
这是 TLD7002-16 上可能的最小输出电流，用于减少功率损耗。

•        VFWD_WRN = 1.25 V
在R4 被旁路时，该值必须大于 VBE(Q9)（低温）+ VSAT(Q90) => ，只有在这种情况下，错误才会被检测到。

3.3        网关控制LED驱动器的诊断小技巧
对于指令应用程序，例如BCM，要检测外部LED驱动器通道中的故障，需要一个TLD7002-16ES输出采样外部驱动器的Fault（或ERR）引脚。

为了利用TLD7002-16ES的诊断功能，例如去抖动功能，当外部LED驱动器的故障引脚活动时，触发TLD7002-16ES的警告标志是一种便捷的方法。实现这一点的一种方法是使用外部驱动器的故障引脚来触发TLD7002-16ES的OL警告或VFWD_WRN警告。这通常是通过外部粘合逻辑来实现的，如图9和图10所示。

OL和VFWD警告检测机制在TLD7002-16ES数据手册中有详细解释。

3.4        网关通道上PWM顺序和相移的考虑
如果在两个不同的 TLD7002-16 通道上执行 PWM 和诊断（见图6），那么正确地分配 PWM 和 DIAG TLD7002-16 通道号码并了解其 PWM 约束是非常重要的。在网关通道上的 PWM-诊断序列应该按照以下顺序进行：
•        TLD7002-16ES OUTn 通道将通过 PWM 引脚打开外部 LED 驱动器
•        TLD7002-16ES OUTn+1 通道将采样外部 LED 驱动器的 FAULT 引脚

在诊断 ADC 读取之前提供 PWM 是有利的，以确保外部 LED 驱动器已被激活，从而使其故障引脚能够被 TLD7002-16 正确采样。但是，通过适当的去抖动设置，这个顺序要求可以被忽略。为了实现上述序列，建议将 TLD7002-16 OUTn 通道指定为 PWM 通道，将 OUTn+1 通道指定为诊断通道。

TLD7002-16ES 具有最小 PWM 开启时间约束，以确保准确的诊断读取，因为大多数诊断标志在 TLD7002-16 上都是基于 VFWD 读取的。这些约束在此简要概述，并在 TLD7002-16 数据手册 中有详细描述。
•        如果启用相移：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个通道的数量。因此，网关 DIAG 和 PWM 通道必须遵守适当的最小占空比。

例如，在图6中，网关函数在 OUT1和OUT2 上实现，同时考虑以下情况，并将 OUT0 分配给不同的 LED灯串：
•        在网关 PWM 通道之前的通道 OUT0 启用相移，这减少了接下来两个通道的 PWM 最小占空比约束
•        网关函数 PWM 和 DIAG 通道（OUT1, OUT2）禁用相移，这减少了 PWM 和 DIAG 读取之间的时间，导致最小 PWM 占空比等于：tOUTnPW > tdiag_dly + (2+1) * tDIAG_ON


图6：TLD7002-16ES网关通道时序：PWM产生和诊断采样

4.        驱动外部的LITIX Basic+ 线性芯片来实现扩流
TLD2331-3EP作为一个3通道的高边恒流源，可以与 TLD7002-16ES以如下的方式连接：

TLD2331-3EP 的3条 SET 信号分别连接到 TLD7002-16ES 的3个输出端，这些输出端分别控制3个 IN_SET 通道。每个通道可以独立控制，实现高精度的电流调节和出色的动画效果。

TLD2331-3EP芯片的 ERRN 引脚连接到下一个可用的 TLD7002-16ES 输出端，用于故障诊断。


图7：驱动外部线性恒流源TLD2331-3EP

TLD1173-1ET 与 TLD7002-16ES 之间的连接如下：

一个 TLD7002-16ES 输出端同时连接到 TLD1173-1ET 的 PWM 和 ERRN/DEN 引脚。 PWM 和 ERRN/DEN 胶合逻辑电路在之前章节中详述过。


图8：驱动单通道低边线性恒流源芯片TLD1173-1ET

5.        网关应用OTP配置范例
网关通道的最相关 OTP 配置如下：
•        将诊断输出组设置为 VLED，并将 TLD7002-16 的 VLED 引脚连接到 5 V（如果 PWM 和 ERR 粘合逻辑连接到 5 V）
•        如果电路测试时模拟 TLD7002-16 的 OTP，或者将 SLS 阈值锁定为“锁定”，否则 TLD7002-16 将选择默认的 SLS 阈值
•        如果 PWM 和 ERRN 粘合逻辑如图5所示，将 VFWD_WRN 阈值设置为 1.25 V。这将在 ERRN 拉低时检测到 VFWD_WRN
•        将诊断去抖动配置设置为 4-6 个周期，以减少虚假错误检测
•        在每个网关函数的第一个通道之前启用相移，在同一个网关函数的通道之间禁用相移

这允许降低最小占空比（见 TLD7002-16ES 数据手册 的第 7.2 章）

例如，对于图5中的电路，启用 OUT0 的相移，禁用 OUT1, 2, 3, 4 的相移
•        将 SLS 设置为 0，以便只关心 VFWD_WRN 标志

有关 OTP 模拟和编程的更多详细信息，请参阅 TLD7002-16 OTP 编程 和 OTP 参数设置 应用笔记。

6.        结论
TLD7002-16ES智能网关芯片通过UART OVER CAN通讯口线，实现车灯ECU的MCU-Less架构。这种设计减少了40%硬件复杂度及25%线束需求，推动了域集中式电气设计的革新。同时，它能更好满足软件定义汽车（SDV）对车灯系统的动态配置需求。单芯片集成方案替代传统分立设计，降低30% BOM成本。作为高性价比车灯控制平台，TLD7002-16ES兼顾了功能安全、灵活扩展与可靠性升级，为智能车灯系统提供了坚实的硬件基础支撑。