本文轉載自電子設計與晶片應用2025年4月第32卷。作者英飛凌 蘇星&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，例如引擎管理、傳動控制、煞車系統和資訊娛樂系統。每個 ECU 通常都配備自己的 MCU，這增加了汽車電氣架構的整體複雜性和成本。
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。尤其是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作為控制的轉發點，以提升系統的可靠性、通訊速度以及電磁相容性（EMC）性能。
本文以 TLD7002-16ES 為例，提出了一種使用 UART OVER CAN 通訊介面來降低成本並提升 EMC 性能的解決方案。
介紹
TLD7002-16ES 是一款 16 通道的汽車 LED 恆流源驅動晶片，具有全面的保護和診斷功能，支援高達 2M 通訊速率的 UART OVRE CAN。它旨在控制最高達 76.5 mA 電流的 LED 作為線性電流吸收（LCS）。並聯電源輸出級可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 位電流設定值，並且可以設定 16 個獨立的 PWM 配置。高速照明介面用於設備 OTP 編程、配置、控制和診斷回饋。該晶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 可以作為閘道器來控制其他的外部 LED 驅動，例如：線性恆流源（英飛凌 LITIX™ Basic+ 系列）或者 DC/DC 轉換器（LITIX™ Power）。在不增加額外 MCU 的基礎上，可以沿用現有的方案，甚至減少 UART OVER CAN 線性 LED 驅動晶片的數量，以支援更高的系統輸出電流。透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 介面（CAN OVER UART）的智慧型 16 通道 LED 驅動器。
在英飛凌 TLD7002-16ES 的參考設計中，該晶片被用作網關，以控制多個外部 LED 驅動器，包括線性電流源（LITIX™ Basic+ 系列）或 DC/DC 轉換器（LITIX™ Power 系列）。
以下將那些未集成在 TLD7002-16ES 上的 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。
閘道方法具有以下優勢：
- 將 UART over CAN 接口引入現有的 LED 驅動器
- 從 LED 驅動器單元中移除微控制器
- 增加 TLD7002-16ES 的電流能力（通道數和最大電流）
- 透過在多個 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
- 診斷基於外部 LED 驅動器的 Fault/ERR 腳位。Fault 腳位由 TLD7002-16ES 的 OUTn 通道或相鄰的 OUTn+1 通道進行取樣，具體取決於應用程式。
因此，一個「網關通道」可能會佔用 TLD7002-16ES 的兩個輸出：一個用於 PWM，一個用於診斷。
圖2 外部的LED驅動與TLD7002-16ES相鄰的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 通道可以透過簡單的變通方法同時用於 PWM 和診斷目的。
圖3 PWM和診斷合併在TLD7002-16ES的單一輸出
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 是反向的。這個反向的 PWM 信號可以透過軟體輕鬆處理，但更佳的方法是在 TLD7002-16ES 拉電流時產生高電平 PWM（即 TLD7002-16ES 輸出啟用時）。保持反向的 PWM 可能會在外部 LED 驅動器的輸出端產生非預期的毛刺。
PWM 信號的反向可以透過使用一個簡單的 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 通道電流設置為最小值（5.6 mA）。此外，透過在基極上使用 10 kΩ 電阻，可以進一步減少功率損耗。然而，這可能會導致虛假的開路（OL）檢測和 OUT12 通道的電流警告，應用軟體必須忽略這些警告。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
使用一個TLD7002-16ES輸出來覆蓋外置LED驅動器的PWM和診斷功能
圖5 黏合邏輯用於提供PWM並監控故障腳位
使用單個 TLD7002-16ES 引腳和簡單的邏輯電路，可以執行 PWM 並檢索外部 LED 驅動器的診斷資訊。該電路有以下主要任務：
- 當 TLD7002-16ES 的 OUTn 引腳流出電流時，會生成反向的 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，會在 TLD7002-16ES 的 OUTn 引腳上生成開路 OL 或正向壓降警告 VFWD_WRN 故障信號。
具體工作原理為：
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，因為 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 顯示了黏合邏輯，具有以下要求：
- 當 OUTn 流出電流時，PWM > 最大 PWM(H) 閾值
- 當 OUTn 不流出電流時，PWM < 最大 PWM(L) 閾值
- 規則 1：當錯誤發生時，OUTn 應產生 VFWD（OUTn-VLED）< VFWD_WRN 閾值。在計算此要求時，假設 OUTn 流出的電流為 IOUTn(max)。
- 規則 2：當 ERRN 不流出電流時，OUTn 引腳不應產生 VFWD（OUTn-VLED）> VFWD_WRN 閾值。在計算該要求時，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，會產生一個 VFWD_WRN（較小的 VFWD）。
- 當 ERRN 不流出電流（錯誤未出現）時，R4 的壓降必須足夠大，以防止 OUTn 偵測到 VFWD_WRN 或 SLS。然而，這個壓降又不能過大，以免觸發 OL 警告。
OTP 設定
- 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
對於指令應用程式，例如 BCM，要檢測外部 LED 驅動器通道中的故障，需要一個 TLD7002-16ES 輸出取樣外部驅動器的 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 驅動器的故障腳位啟動時，觸發 TLD7002-16ES 的警告標誌是一種方便的方法。實現這一點的一種方式是使用外部驅動器的故障腳位來觸發 TLD7002-16ES 的 OL 警告或 VFWD_WRN 警告。這通常是透過外部邏輯粘合來完成的，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。
閘道通道上PWM順序和相移的考量
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 通道編號並了解其 PWM 限制是非常重要的。在閘道通道上的 PWM 診斷序列應該按照以下順序進行：
- TLD7002-16ES 的 OUTn 通道將通過 PWM 腳位啟動外部 LED 驅動器
- TLD7002-16ES OUTn+1 通道將會對外部 LED 驅動器的 FAULT 腳位進行取樣
在診斷 ADC 讀取之前提供 PWM 是有利的，以確保外部 LED 驅動器已被啟動，從而使其故障引腳能夠被 TLD7002-16 正確取樣。不過，透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 的 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 開啟時間的限制，以確保準確的診斷讀取，因為大多數診斷標誌在 TLD7002-16 上都是基於 VFWD 讀取的。這些限制在此簡要概述，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，並將 OUT0 分配給不同的 LED 燈串：
- 在閘道器 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 最小占空比限制。
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 占空比等於：
tOUTnPW > tdiag_dly + (2+1)* tDIAG_ON
圖6 TLD7002-16ES網關通道時序：PWM產生和診斷取樣
驅動外部的 LITIX Basic + 線性晶片來實現擴流
TLD2331-3EP 作為一個 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 晶片的 ERRN 腳位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 的輸出端同時連接到 TLD1173-1ET 的 PWM 和 ERRN/DEN 引腳。PWM 和 ERRN/DEN 的膠合邏輯電路在之前的章節中已有詳細說明。
圖8 驅動單通道低邊線性恆流源晶片TLD1173-1ET
閘道應用 OTP 配置範例
- 將診斷輸出組設置為 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 閾值鎖定為「鎖定」，否則 TLD7002-16 將選擇預設的 SLS 閾值。
- 如果 PWM 和 ERRN 的黏合邏輯如圖 5 所示，請將 VFWD_WRN 閾值設置為 1.25 V。這將在 ERRN 被拉低時檢測到 VFWD_WRN。
- 將診斷去抖動配置設置為 4-6 個週期，以減少虛假錯誤檢測
- 在每個閘道函數的第一個通道之前啟用相移，在同一個閘道函數的通道之間禁用相移。
這允許降低最小佔空比（請參閱 TLD7002-16ES 數據手冊 [5] 的第 7.2 章）。例如，對於圖 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，以便只關注 VFWD_WRN 標誌。
有關 OTP 模擬和編程的更多詳細資訊，請參閱 TLD7002-16 OTP 編程 [3] 和 OTP 參數設置 [4] 應用筆記。
結論
TLD7002-16ES 智能網關晶片透過 UART OVER CAN 通訊介面，實現車燈 ECU 的 MCU-Less 架構。這種設計減少了 40% 的硬體複雜度及 25% 的線束需求，推動了域集中式電氣設計的革新。同時，它能更好地滿足軟體定義汽車（SDV）對車燈系統的動態配置需求。單晶片整合方案取代傳統分立設計，降低了 30% 的 BOM 成本。作為高性價比的車燈控制平台，TLD7002-16ES 兼顧了功能安全、靈活擴展與可靠性升級，為智慧車燈系統提供了堅實的硬體基礎支撐。
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