如何減少車燈控制器MCU的數量來優化成本

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76.5mA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UARTOVER 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10kΩ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330Ω），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TLD7002-16ESOUTn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VSOUTn）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=1.25V

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

●   將診斷輸出組設置為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1.25V。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 編程和OTP參數設置應用筆記。

6   結論

TLD7002-16ES智能網關芯片通過UART OVERCAN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。

（本文來源于《EEPW》202504）