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智慧型後車燈
IC系列搭配延伸診斷功能

【作者: 英飛凌】   2020年08月14日 星期五

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LED 推動了車燈的創新突破,提供各種具吸引力的設計可能性,協助宣傳汽車製造商的形象及品牌,不但節能也有助於減少二氧化碳排放,並能由汽車製造商快速整合。


整合式 LED 驅動器大約在五年前開始,於歐洲市場完勝分立式 LED 尾燈控制解決方案。LED 除了應用於豪華車款,在小型車輛平台的使用情形也日漸廣泛,具備提升可靠度及節省成本等各種優點,並提供更妥善的診斷功能,以符合法律規定。


此外,像是功率轉換及脈寬調變(PWM)等進階功能,也讓系統開發人員享有更充裕的照明設計彈性。(圖一)


圖一 : 英飛凌LED驅動器IC LITIX Basic+具備延伸診斷功能,可用於偵測短路,符合許多汽車製造商的規範。
圖一 : 英飛凌LED驅動器IC LITIX Basic+具備延伸診斷功能,可用於偵測短路,符合許多汽車製造商的規範。

因應持續增加的需求

英飛凌全新的 LED 驅動器系列 LITIX Basic+(圖一),可因應持續增加的設計需求。其中包含七項全新裝置,讓 2013 年上市的既有 LITIX Basic 系列產品更加完備。這兩款驅動器系列產品都使用高壓側線性電流來源,用於低功率及中功率的外部燈光,此外,也適合車內及工業 LED 照明等各種應用。


LITIX Basic+ LED 驅動器系列的七項裝置(單通道、雙通道及三通道版本),提供 LITIX Basic 知名的擴充能力:LITIX Basic+ 裝置針腳輸出幾乎相同,可輕鬆調整設計,只要熟悉一項裝置,就能熟悉整個系列。所有裝置都符合汽車規範,並以14針腳封裝供應 (TSDSO-14 EP)。


所有驅動器都配備過載、短路及溫度過高等整合式保護功能,此外也提供保護避免反向極性(反接電池保護)。系列產品的輸入電壓範圍為 5.5 V 至 40 V,其中模組可支援的 LED 電流範圍為 5 mA 至 360 mA。LITIX Basic+ 具備高度精準的電流,能夠滿足全球汽車供應商的需求(圖二)。



圖二 : LITIX Basic+電流精準度(單位為%)
圖二 : LITIX Basic+電流精準度(單位為%)

電流精準度是以 K 因子定義;K 因子是輸出電流與參考電流之間的比率,部分地區規定 LED 電流要達到 5% 的精準度。裝置提供有利的 EMC 行為,可減少使用額外濾波器元件打造穩定系統,進而降低系統費用。


診斷功能對安全至關重要

車輛必須能夠診斷燈光問題,如果 LED 突然無預警故障,就會嚴重影響道路交通安全。可靠的 LED 負載診斷功能,可協助永久遵循照明相關法規規定。(圖三)



圖三 : LITIX Basic+ERRN狀態網路
圖三 : LITIX Basic+ERRN狀態網路

LITIX Basic+ LED 驅動器的標準診斷功能,可偵測接地短路(SC,短路)及 LED 鏈負載中斷(OL,開路負載)等問題。如果有多個LED驅動器用於一項燈光功能,可在故障時以整合式的 N-1 功能自動將其停用,亦即只要有一個故障的LED鏈,就會停用完整的照明功能。


同步作業是透過故障狀態網路 ERRN 進行(圖三),其中最多可直接連接 16 個LITIX Basic+裝置,只需要一個外部提升電阻器。如果電路板出現故障,每裝置耗電量就會大幅降低為 850 μA,而偵測故障裝置的耗電量最高為 1.25 mA;實際上裝置會產生少量的總故障電流,以便在 車身控制模組(BCM)進行診斷。


短路偵測

除了前述診斷功能以外,LITIX Basic+ 裝置也能非常靈活地診斷單一 LED 短路(SLS,單一 LED 短路)。美國市場及許多德國汽車製造商都要求這項診斷功能,可由驅動器系列的三項裝置提供:兼具輸入與輸出通道的 TLD2132-1EP(1in/1out)、TLD2131-3EP(1in/3out) 及 TLD2331-3EP(3in/3out)。


故障診斷電路會比較 LED 鏈電壓及可設定的參考電壓。如果 LED 鏈之中有一個 LED 短路,則驅動故障 LED 鏈的通道就會降低輸出電壓,降低幅度大約是一個 LED 的順向偏壓(圖 4a)。輸出電流持續通過LED,因為閉合電路仍然存在。由於輸出電壓槽低於參考電壓值


VOUTSLS_REF


裝置就會偵測到故障。



圖四 :  (a)電壓曲線顯示LED故障;(b)LITIX Basic+短路偵測方塊圖
圖四 : (a)電壓曲線顯示LED故障;(b)LITIX Basic+短路偵測方塊圖

參考電壓會依據使用中的LED及其操作點(LED 電流、溫度),由 SLS-REF 針腳的電阻進行調整(圖 4b)。根據系統需求,故障時產生的行為可透過兩個針腳(D及DS)設定為下列方式:由 LED 驅動器在 ERRN 針腳回報故障,或是回報故障並關閉;關閉時可能會出現 10 nF 的少量延遲。


LITIX Basic+提供自動重新啟動功能,適用於接地及負載中斷之後的短路情況。其中新增主動重試模式作為新功能,以處理只有裝置開啟時能夠偵測的個別 LED 短路問題。


LED驅動器在主動重試模式中,會在單一 LED短路時短暫重新啟動已關閉的LED,以執行新的診斷。如果錯誤不存在,所有 LED驅動器都會重新啟動。取樣頻率可利用小型電容彈性調整(約 220 nF)。以上設定選項讓 LITIX Basic+ 提供目前深具彈性的單一LED短路診斷功能。


LITIX Basic+ 結合啟用/診斷啟用針腳(EN/DEN),可配置簡易的分壓器,以便開啟或關閉裝置和診斷功能。分壓器及其他設定元件可由多個LITIX Basic+ 模組同時使用(圖五),大幅降低系統成本。



圖五 : 功率轉換功能
圖五 : 功率轉換功能

功率轉換功能

TLD1114-1EP(1in/1out)具備整合式功率轉換功能,可支援廣大的可用輸出電流範圍(最高 360 mA),適用於煞車燈、倒車燈及後霧燈。前述燈光功能會增加 LED 驅動器的功率損耗,而整合式功率轉換功能則可利用外部電阻器消除大部分功率損耗,代表裝置也能在最大電流情況下運作。電阻器可均勻分佈在電路板上,以最佳方式利用其中可用的冷卻區域。


TLD1114-1EP裝置功率轉換功能的理論基礎,是部分電流會由外部通過裝置的電源區段。外部電流會流過電阻器/MOSFET 電路(圖五),其中電阻器 R1及 R2承擔最大部分的功率損耗,而外部 MOSFET 僅用於切換電源電路。


圖中顯示LED電流分為內部電流

IOUTS


及外部功率轉換電流


IPS


。只要輸出電壓


VfLED


及閾值電壓

VGSth


超越供電電壓

VS


,就會啟動功率轉換電路。為了確切監控 LED電流,會引導此電流返回 LED 驅動器的控制迴路,並將其整合至控制電路中。控制迴路會測量外部提供的電流,並增添額外電流以達到定義的LED電流。


電流分佈程度可利用外部電阻器大小設定。許多燈光功能不需要使用外部MOSFET,例如平均電流約 250 mA 的功能,以及僅透過供電電壓切換的燈光功能。


應用範例:整合式尾燈煞車燈

許多車款都是以相同的 LED 實作各種尾燈功能,例如整合式尾燈煞車燈。只要調整 LED 電流,就可產生所需的不同燈光功能,通常是利用脈寬調變(PWM)加以實作。LITIX Basic+系列提供三項元件搭載整合式PWM計時器模組,分別是TLD2141-3EP (1in/3out)、TLD2252-2EP(2in/2out)及TLD2142-1EP(1in/1out)。整合式尾燈功能可透過變更脈寬提供,符合成本效益:例如 100% 用於煞車燈,20%則用於尾燈。


圖六描述的應用範例,是由三項 LITIX Basic+建構區塊組成(一個 TLD2141-3EP及兩個 TLD2131-3EP),打造出整合式尾燈煞車燈,其中由九個LED鏈組成,每個LED鏈各有三個LED。



圖六 : 以三個 LITIX Basic+ 模組打造整合式尾燈煞車燈的應用範例
圖六 : 以三個 LITIX Basic+ 模組打造整合式尾燈煞車燈的應用範例

TLD2141-3EP是計時器建構區塊,可產生PWM訊號提供給所有三個驅動器,只要在供電線路應用電壓(圖6所示的

VTAIL VSTOP

),


LED驅動器就會自動啟動,而PWM驅動器也會同步啟動。PWM 頻率及脈寬是由兩個電阻器及一個電容器設定。PWM輸出針腳將 PWM 訊號由 TLD2141-3EP 傳遞至另外兩個建構區塊。這樣可以減少必要的外部元件,且所有 LED 驅動器能夠同步運作,產生均勻的亮度變化。


PWM 驅動器級以電晶體開關設定為 100%,因此在切換為煞車供應線路

VSTOP


時,煞車燈 LED 的亮度就會提升。圖六右側顯示 LED 電流,需視尾燈

 VTAIL


及煞車燈

VSTOP


輸入訊號而定。


多項 LITIX Basic+ 模組提供輸出針腳,用於複製LED參考電流,並將其提供給下列 LITIX Basic+ 模組作為參考電流。這樣就可以將第一個驅動器的OUT_SET針腳,連接第二個驅動器的IN_SET針腳,協助系統工程師減少所需的電阻器數量。(圖七)



圖七 : LITIX Basic+ 系列概觀
圖七 : LITIX Basic+ 系列概觀

LITIX Basic+系列隸屬於LITIX LED 驅動器系列產品,適用於汽車LED應用。除了適用於中低功率車外燈的 LITIX Basic+,也可使用LITIX Basic和LITIX Linear 因應後車燈的各種高低功率應用。LITIX Basic 也用於車內 LED 應用(例如 LED 閱讀燈),或是日間行車燈 (DRL)等注重成本的車前燈應用。LITIX Power 系列由適合 LED 的 DC/DC 轉換器組成,可用於 DRL、近光燈及遠光燈照明等應用。LITIX Power Flex系列DC/DC轉換器自2016 年起支援高功率及節能型車前燈應用。


(本文作者Gernot Unterweger1、Volker Taggruber2現任英飛凌科技1應用工程師、2汽車 LED 驅動器產品行銷經理)


**刊頭圖 (source c Infineon Technologies AG)


作者簡介


Gernot Unterweger 現任英飛凌科技應用工程師,負責汽車 LED 驅動器。他曾在菲拉赫 (Villach) 的克恩藤應用科學大學 (Carinthia University of Applied Sciences) 主修系統設計。


Volker Taggruber 現任英飛凌科技汽車 LED 驅動器產品行銷經理,以 LITIX產品經理的身分負責適合後車燈應用的汽車 LED 驅動器。他曾在雷根斯堡大學 (University of Regensburg) 及伊利諾大學厄巴納香檳分校 (University of Illinois at Urbana-Champaign) 主修物理。


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