如何快速調試英飛凌LED驅動晶片LITIX™ TLD6098-X系列的設計

TLD6098-2ES是寬電壓輸入雙通道多拓撲DC/DC控制器，兩個通道上的電流或者電壓可以通過不同的拓撲實現閉環控制，作為一級恆壓源或者恆流源。目前TLD6098可以支持的拓撲有：對地升壓、SEPIC、反激、對電池升壓、降壓。

本文針對TLD6098-X在保護診斷設計上的特殊處理，以及實際使用當中常見問題進行分析和解答，使設計者可以儘快定位問題，從而快速解決問題，縮短設計周期。

1. 介紹

汽車的ECU設計從概念到驗證需要很多步驟。通過測試原型機的PCB來驗證設計是最重要並且最花時間的步驟之一。所有可能的輸入變化量需要加在ECU的上並且需要仔細檢查與之相關的輸出。

在調試當中有可能會觸發錯誤狀態，測試工程師需要通過測量波形來診斷PCB。

使用TLD6098-X可以通過測量FPWM/FAULT波形來定位報錯的原因。根據不同影響LED 驅動的原因，FPWM/FAULT管腳產生不同的波形。每種出錯信息輸出不同的PWM占空比，使得出錯信息容易辨認。可以用示波器的探棒進行測量。如果需要使用這個功能，FPWM/FAULT管腳對地的下來電阻的值需要處在1.8 kΩ - 9 kΩ區間。同時MCU可以容易的識別這些數字模式，提高ECU上診斷的效率。

2. 短路到地

當ECU終端輸出短路到地，LED驅動就不能給LED負載提供電流。這個會導致燈不亮。

TLD6098-X檢測到VFB的電壓小於100mV（V_{VFB_S2G} 閾值）。在8ms（t_S2G）之後控制器執行常規的軟啟動，給輸出電容重新充電來檢測看看短路到地是否依然存在。如果VFB管腳的電壓沒有上升到高於150mV（V_{VFB_S2G} + V_{VFB_S2G_HYS}），晶片判斷短路依然存在。

在短路到地的檢測過程當中，FPWM/FAULT 管腳是個占空比為80%的PWM，並且晶片的SWO管腳門級驅動只有在軟啟動重試過程中使能。

但是晶片處於PWM調光狀態時，PWM的duty會有變化，主要是因為晶片只在PWM on時候才會做短路到地檢測。

 

圖1：PWM調光是100%時短路到地時序圖

 

圖2：PWM調光是50%時短路到地時序圖

通過分壓電阻輸出電壓的可以反應到VFB的電壓上。在電壓掉到觸發短路到地閾值以下ai，晶片進入短路到地保護狀況，當短路條件移除，VFB管腳的上升到閾值加滯回值時，晶片恢復正常工作狀態，可以參考以下的兩個公式（R_VFBH 和 R_VFBL是輸出對地的分壓電阻網絡）：

 

在一些拓撲中，因為有直接從電池到地的路徑，比如boost，在這種情況下，調光的PMOS可以關斷輸出切斷來自輸入的過流來保護器件。防止過流損壞電感L₁， 二極體D₁, 電阻R_FB，以及線纜和連接器。

 

圖3：TLD6098-1短路到地保護應用框圖

PMOS的選型需要保證重複重啟時沒有輸入電流限制。

3. 輸出過壓

另外一個燈不亮的原因是LED開路。負載開路會在線束或者LED開路時發生。

在負載開路的時候，由於輸出電容的電流沒有泄放的路徑，輸出電壓會升高。晶片通過檢測VFB管腳的電壓來識別出開路的狀態。當VFB管腳的電壓高於1.6V (V_{VFB_OV})， 將觸發輸出過壓的故障，當電壓小於1.4V (V_{VFB_OV} – V_{VFB_OV_HYS})時，則認為晶片從故障中恢復。

 

圖4：PWM調光是100%時輸出過壓時序圖

 

圖5：PWM調光從50%到100%時輸出過壓時序圖

在輸出檢測過壓時，晶片在PWM 調光100%時候，FPWM/FAULT管腳輸出60%占空比PWM波。SWO的輸出在檢測到過壓時關閉，在tfault結束以及故障移除時，SWO恢復輸出。

需要注意的時候在PWMI off的時候晶片不做過壓檢測。

實際輸出過壓閾值用VFB的過壓閾值以及電阻分壓網絡一起決定（原理圖上R_VFBH 和R_VFBL）。

在輸出電壓高於以下值會觸發輸出過壓故障：

 

當輸出電壓低於以下值時從輸出過壓故障退出：

 

圖6：TLD6098-1輸出過壓保護應用框圖

通常分壓電阻網絡和輸出電容並聯，這樣可以根據輸出電容的耐壓值來選擇合適的分壓電阻。

4. FBH管腳過壓

DC-DC不僅僅能夠檢測分壓電阻網絡後面的開路，還可以檢測VFB檢測網絡的開路。

在這種情況下，為了提高系統的可靠性，當FBH的電壓高於75V(V_FBH(H))時，晶片會關閉SWO門級驅動。當FBH電壓低於65V(V_FBH(L))時，晶片從故障狀態出來。

 

圖7：PWM調光是100%時FBH過壓時序圖

在FBH檢測到過壓時，晶片在PWM 調光100%時候，FPWM/FAULT管腳輸出60%占空比PWM波。在整個報錯的PWM周期，SWO門級驅動一直處於關閉狀態。

 

圖8：TLD6098-1 FBH過壓保護應用框圖

在一些應用中，設計者可以將VFB的電阻分壓網絡挪到離負載更近（PMOS後面）來保護負載。在這種配置下，RFB 護著PMOS故障時會對D1的陰極產生不可控的電壓。FBH在電壓超過75V過壓保護通過關斷SWO門級驅動來防止晶片進一步被損壞。

5. 過流

超過LED顆粒的最大電流會使得每個LED暴露在高節電流下損壞LED燈串。TLD6098-X 系列提供了防止在80ms (8*t_FAULT)的時間窗口內輸出電流不可控持續超過4ms(t_OC)的保護。過流從FBH與FBL的壓差超過300mV (V_{OC_200%})開始計時，當壓差低於265mV(V_{OC_200%} - V_{OC_HYS})時停止計時。在這段時間內，PMOS關斷來減小負載的平均電流。

一旦過流的計時器累計時間超過4ms, PMOS會關斷80ms（為了保護PMOS不會超過耗散功率）並且FPWM/FAULT管腳輸出20%占空比。

 

這個濾波時間在輸出電流是PWM波的情況下也是被使能的。並且模擬調光設定值也不能改變過流的閾值。

6. 過溫

在高結溫會降低晶片的性能並且有可靠性的風險。通過關閉晶片內部的過溫保護可以防止上述問題。

這個功能在結溫到達175°C (T_J(SD))觸發直到結溫低於165°C (T_J(SD)-T_{J(SD_HYS)})。

晶片以FPWM/FAULT管腳持續的高電平作為報警。

 

我們不建議晶片在正常工作時連續使用觸發這個功能。正常晶片結溫應保持不超過150°C。

7. 結論  

設計時間是提高研發中心生產力的關鍵因素。只有靜態報警標誌的LED驅動板有時會花費非常長的時間來進行PCB的調試。而TLD6098-X給設計者提供了一個在不需要MCU讀寄存器的情況可區分故障類型的報警信號，大大提高了故障識別能力並且提高調試效率。

這個解決方案可以可以和MCU一起配合，作為成本較高SPI通訊口線DCDC和成本較低只有傳統靜態報警標誌晶片之間的性能和成本均衡的選擇。