在您設(shè)計(jì)車(chē)身照明系統(tǒng)時(shí)，是否也曾被散熱和離板設(shè)計(jì)等問(wèn)題困擾？TI最新推出的C位產(chǎn)品TPS92633-Q1將為您帶來(lái)變革式的解決方案。如下圖所示，TPS92633-Q1一方面采用外部分流電阻來(lái)分擔(dān)熱量，另一方面支持off board binning resistor，這使得離板設(shè)計(jì)變得更加容易，極大地解放了生產(chǎn)線端的壓力。此外，該新產(chǎn)品還支持4.5V-40V的電壓輸入范圍和三個(gè)通道輸出，每個(gè)通道的輸出電流高達(dá)150mA。

 

TPS92633-Q1 原理圖

 

更好的散熱性能: 外部分流電阻

 

在尾燈模塊的設(shè)計(jì)中，線性驅(qū)動(dòng)芯片在散熱上的短板使其通常無(wú)法支持很高的功率。為了防止出現(xiàn)“芯片過(guò)熱”或“系統(tǒng)過(guò)熱”，設(shè)計(jì)者通常只能依靠成本較高的大面積散熱設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的輸出功率。

 

TPS92633-Q1的亮點(diǎn)之一就是搭載了可以分擔(dān)熱量的外部分流電阻，在改善散熱性能的同時(shí)減少了系統(tǒng)BOM成本。

 

分流電阻工作原理

 

當(dāng)輸入電壓較低且接近LED所需的正向壓降時(shí)，默認(rèn)的電流源通道（綠色線路）輸出電流。 當(dāng)輸入電壓高于LED所需的正向壓降時(shí)，另外一路電阻通路（紅色線路）也同時(shí)打開(kāi)，分擔(dān)電流和功耗。

 

輸入電壓 VS. 輸出電流

 

不同輸入電壓下的輸出電流與功耗對(duì)比如下圖所示。I_total是流向LED的總電流，等于流經(jīng)OUT引腳和R_res引腳的電流之和。 下圖中黑線為系統(tǒng)總功耗，等于芯片和電阻的功耗之和。我們可以看到，借助R_res的分流，芯片本身的功耗明顯降低，從而有效控制了熱量的產(chǎn)生。

 

輸入電壓 VS. 功耗

 

TPS92633-Q1的熱測(cè)試結(jié)果如下圖所示。通常，乘用車(chē)電池的電壓范圍為9V至16V，汽車(chē)尾燈的環(huán)境溫度最高為85°C。 我們?cè)谶@些條件下進(jìn)行了模擬測(cè)試，當(dāng)V_in為16V時(shí)，TPS92633-Q1借助分流電阻來(lái)分擔(dān)系統(tǒng)的熱量，可以支持最高450mA的電流，而沒(méi)有分流電阻的對(duì)照芯片在相同的環(huán)境溫度下則會(huì)直接觸發(fā)熱關(guān)斷保護(hù)。

 

熱測(cè)試對(duì)比結(jié)果

 

更便捷、低成本的方案: Off-board Binning Resistor.

 

在進(jìn)行離板設(shè)計(jì)時(shí)，由于LED生產(chǎn)工藝的限制，必須將LED板與芯片板匹配來(lái)統(tǒng)一LED的亮度，這往往是比較繁瑣但又無(wú)法省略的一個(gè)步驟。哪怕是在同一批次的LED產(chǎn)品中，也會(huì)存在不同的bins。用戶在購(gòu)買(mǎi)了整批LED后，仍需要通過(guò)binning resistor來(lái)設(shè)置不同bins LED的電流來(lái)統(tǒng)一亮度。

 

現(xiàn)有的解決方案如下圖所示，考慮到芯片抗擾性，binning resistor必須與驅(qū)動(dòng)芯片放在同一塊板上，那么也就必須為不同的驅(qū)動(dòng)芯片板設(shè)計(jì)不同的binning resistor。 為了將LED板與驅(qū)動(dòng)芯片板匹配，我們需要使用條碼或二維碼進(jìn)行識(shí)別，這大大增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜度與制造成本開(kāi)銷(xiāo)。

 

現(xiàn)有方案：Binning resistors與驅(qū)動(dòng)芯片在同一塊板上

 

TPS92633-Q1的另一亮點(diǎn)就是其ICTRL引腳支持off-board binning resistor，這一設(shè)計(jì)完美地解決了上述難題。如下圖所示，我們?cè)谥圃爝^(guò)程中可以直接將binning resistor放置在LED板上，這樣只需要設(shè)計(jì)一種驅(qū)動(dòng)芯片板即可匹配所有bins的LED板，大大降低了制造成本。

 

 

TPS92633-Q1方案：off-board binning resistor

 

除了支持off-board binning resistor之外，TPS92633-Q1還支持通過(guò)在ICTRL引腳連接NTC來(lái)實(shí)現(xiàn)thermal derating。當(dāng)溫度升高時(shí)NTC阻值會(huì)減小，R_ICTRL上的電壓會(huì)降低，從而降低輸出電流以進(jìn)行過(guò)熱保護(hù)，下圖為測(cè)試結(jié)果。

 

溫度 VS. 輸出電流

 

結(jié)論

 

在設(shè)計(jì)車(chē)身照明系統(tǒng)時(shí)，散熱性能是最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素之一。在現(xiàn)有的線性LED驅(qū)動(dòng)方案中，所有電壓降均由芯片承擔(dān)，往往會(huì)導(dǎo)致芯片和系統(tǒng)過(guò)熱。LED板和驅(qū)動(dòng)板的匹配是設(shè)計(jì)過(guò)程中的另一個(gè)難點(diǎn)，若將binning resistor與驅(qū)動(dòng)芯片放在同一塊板上，則會(huì)增加額外的成本。

 

德州儀器（TI）的全新明星產(chǎn)品TPS92633-Q1提供了可靠、高效、低成本的解決方案，其外部分流電阻可以有效分擔(dān)散熱壓力，同時(shí)支持off-board binning resistor來(lái)進(jìn)行離板設(shè)計(jì)。

 

設(shè)計(jì)示例

 

1.實(shí)現(xiàn)One-Fail-All-Fails功能的BCM控制式尾燈設(shè)計(jì)示例

 

TPS92633-Q1能夠驅(qū)動(dòng)不同功能的汽車(chē)尾燈，包括剎車(chē)燈、轉(zhuǎn)向燈、霧燈、倒車(chē)燈等；在多顆TPS92633-Q1共同使用的場(chǎng)景中，可以通過(guò)將FAULT引腳連接起來(lái)輕松實(shí)現(xiàn)One-Fail-All-Fails功能。

 

 

 

 

1.1  設(shè)計(jì)需求

 

乘用車(chē)電瓶的輸入電壓范圍為9V至16V，一般需要每路3個(gè)共9個(gè)LED來(lái)實(shí)現(xiàn)剎車(chē)燈功能；每個(gè)LED的最大正向壓降V_{F_MAX}為2.5V，最小正向壓降V_{F_MIN}為1.9V；每個(gè)LED的電流I_(LED)要求為140mA；LED的亮度和開(kāi)關(guān)則直接由車(chē)身控制模塊BCM控制；此外，還需要單個(gè)LED的短路檢測(cè)功能，并實(shí)現(xiàn)剎車(chē)燈One-Fail-All-Fails功能。

 

1.2  詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

 

STEP 1：當(dāng)ICTRL電阻與TPS92633-Q1放置在同一塊板上時(shí)，TI推薦設(shè)置I(IREF)為100uA；使用如下公式得到R_(IREF)，其中V_(IREF) = 1.235V，I_(IREF) = 100uA (推薦值)，此時(shí)R_(IREF)為12.3kΩ。

 

 

STEP 2：當(dāng)ICTRL引腳不用于驅(qū)動(dòng)off-board binning resistor或NTC電阻時(shí)，TI推薦設(shè)置V_{(CS_REG)}為100mV；使用如下公式通過(guò)設(shè)計(jì)ICTRL電阻R_(ICTRL)阻值來(lái)設(shè)定V_{(CS_REG)}電壓（SUPPLY引腳與INx引腳間電壓），其中V_{(CS_REG)} = 100mV (推薦值)，I_(IREF) = 100uA (推薦值)。此時(shí)，R_(ICTRL)為680Ω。

 

 

STEP 3：當(dāng)每一路輸出電流I_{(OUTx_Tot)} = 140mA時(shí)，使用如下公式得到R_(SNSx)阻值（SUPPLY引腳與INx引腳間電阻），其中V_(IREF) = 1.235V，R_(ICTRL) = 680Ω，R_(IREF) = 12.3kΩ，I_{(OUTx_Tot)} = 140mA。此時(shí)，R_(SNSx) = 0.717Ω。

 

 

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，每一路的輸出電流是相同的，因此R_(SNS1) = R_(SNS2) = R_(SNS3) = 0.717Ω。這里需注意0.717Ω不是標(biāo)準(zhǔn)的電阻值，因此需要并聯(lián)兩個(gè)電阻才能獲得等效的0.717Ω電阻。

 

STEP 4：使用如下公式計(jì)算分流電阻R_(RESx)的阻值。R_(RESx)的值實(shí)際上決定了I_(OUTx)和I_(RESx)的電流分布，其基本設(shè)計(jì)原則是使R_(RESx)在電源電壓下消耗大約50％總功耗。

 

 

其中，V_(SUPPLY) = 12V，I_{(OUTx_Tot)} = 140mA。當(dāng)V_(OUTx) = 3×2.2V = 6.6V時(shí)，R_(RESx)（包括R_(RES1)、R_(RES2)、R_(RES3)）的阻值為75Ω。

 

STEP 5：設(shè)計(jì)診斷單個(gè)LED短路的閾值電壓，使用如下公式計(jì)算用于設(shè)置該閾值電壓的電阻R_{(SLS_REF)}的阻值。

 

串聯(lián)的三個(gè)LED的總正向壓降最大為3×2.5 V = 7.5V，最小為3×1.9 V = 5.7V。一旦三個(gè)LED中的任何一個(gè)出現(xiàn)短路故障，其余兩個(gè)LED串聯(lián)時(shí)的總正向壓降為2×2.5 V = 5 V（最大值）和2×1.9 V = 3.8 V（最小值）。因此，我們可以選擇5.3 V作為單個(gè)LED短路的閾值電壓V_{(SLS_th_falling)}。

 

 

其中V_(IREF) = 1.235V，R_(IREF) = 12.3kΩ，N_(OUT) = 4，N_{(SLS_REF)} = 1。當(dāng)V_{(SLS_th_falling)} = 5.34V時(shí)，R_{(SLS_REF)} = 13.3kΩ。

 

STEP 6：設(shè)計(jì)SUPPLY引腳的閾值電壓來(lái)設(shè)置LED開(kāi)路和單個(gè)LED的短路診斷功能，并計(jì)算DIAGEN引腳上的分壓電阻R1、R2的阻值。

 

3個(gè)LED的最大正向壓降為3×2.5 V = 7.5V；為避免在慢上電工作過(guò)程中誤報(bào)開(kāi)路故障或單個(gè)LED的短路，需要考慮SUPPLY引腳和OUTx引腳之間的最小壓差；當(dāng)電源電壓低于3個(gè)LED的最大正向壓降、V_{（OPEN_th_rising）}、V_{（CS_REG）}三者之和時(shí)，TPS92633-Q1必須關(guān)閉開(kāi)路檢測(cè)和單個(gè)LED的短路檢測(cè)功能。分壓電阻R1、R2的阻值可通過(guò)如下公式計(jì)算。

 

 

其中V_{(OPEN_th_rising)} = 210mV(maximum)，V_{(CS_REG)} = 100mV，VIL_(DIAGEN) = 1.045V(minimum)，R₂ = 10kΩ(推薦值)。此時(shí)，R₁為64.9kΩ。

 

STEP 7：設(shè)計(jì)SUPPLY引腳的閾值電壓來(lái)控制LED通道的開(kāi)關(guān)，并計(jì)算PWM輸入引腳上分壓電阻R3和R4的阻值。

 

3個(gè)LED的最小正向壓降為3×1.9 V = 5.7V；為了確保每一路的電流輸出正常，當(dāng)SUPPLY引腳電壓低于3個(gè)LED的最小正向壓降、INx引腳與OUTx引腳間的壓降、V_{（CS_REG）}之和時(shí)，各路輸出應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)。分壓電阻R₃、R₄的阻值可通過(guò)如下公式計(jì)算。

 

 

其中V_(DROPOUT) = 300mV，V_{(CS_REG)} = 100mV，VIH_(PWM) = 1.26V(maximum)，R₄ = 10kΩ(推薦值)。此時(shí)，R₄為38.3kΩ。

 

1.3  仿真曲線

 

80%亮度SUPPLY調(diào)光 & 20%亮度SUPPLY調(diào)光

 

2.離板驅(qū)動(dòng)的獨(dú)立PWM控制式尾燈設(shè)計(jì)示例

 

TPS92633-Q1能夠通過(guò)PWM1，PWM2和PWM3引腳上的PWM輸入獨(dú)立驅(qū)動(dòng)每一路通道的輸出電流。LED和LED binning resistor一起放置在不同于TPS92633-Q1的另一塊PCB板上，LED binning resistor連接至ICTRL引腳，用來(lái)相應(yīng)地調(diào)整流經(jīng)LED的電流。

 

原理圖設(shè)計(jì)

 

2.1 設(shè)計(jì)需求

 

乘用車(chē)電瓶的輸入電壓范圍為9V至16V，一般需要每路2個(gè)共6個(gè)LED來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向燈功能；每個(gè)LED的最大正向壓降V_{F_MAX}為2.5V，最小正向壓降V_{F_MIN}為1.9V；LED binning resistor與LED一起放置在另一塊PCB板上；不同亮度bins LED所需電流為50 mA、75 mA和100 mA；每一路通道的輸出是獨(dú)立的，由MCU控制。

 

2.2 設(shè)計(jì)詳細(xì)步驟

 

當(dāng)不需要單個(gè)LED短路診斷功能時(shí)，TI建議將SLS_REF引腳接地。

 

STEP 1：當(dāng)ICTRL電阻與TPS92633-Q1放置在不同的兩塊板上時(shí)，TI推薦設(shè)置I_(IREF)為200uA；使用如下公式得到R_(IREF)，其中V_(IREF) = 1.235V，I_(IREF) = 200uA (離板推薦值)，此時(shí)R_(IREF)為6.19kΩ。

 

 

STEP 2：當(dāng)ICTRL電阻與TPS92633-Q1放置在不同的兩塊板上時(shí)，使用如下公式通過(guò)設(shè)計(jì)ICTRL電阻R_(ICTRL1)、R_(ICTRL2)的阻值來(lái)設(shè)定V_{(CS_REG)}的電壓（SUPPLY引腳與INx引腳間電壓），其中I_(IREF) = 200uA (推薦值)。

 

 

對(duì)于三種不同的bins的LED，TI推薦在R_(SNSx)（SUPPLY引腳與INx引腳間電阻）兩端分別施加80mV、120mV和160 mV的電壓。下表列出了不同亮度bins LED的R_(ICTRL1)、R_(ICTRL2)阻值的計(jì)算結(jié)果，這里建議選擇阻值盡可能大的R_(ICTRL1)來(lái)增強(qiáng)抗噪能力。

 

 

STEP 3：使用如下公式得到R_(SNSx)阻值，其中V_(IREF) = 1.235V，R_(IREF) = 6.19kΩ。

 

 

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，每一路的輸出電流是相同的，因此R_(SNS1) = R_(SNS2) = R_(SNS3)。R_(SNSx)的計(jì)算結(jié)果也在上方表格中列出。

 

STEP 4：使用如下公式計(jì)算分流電阻R_(RESx)的阻值。R_(RESx)的值實(shí)際上決定了I_(OUTx)和I_(RESx)的電流分布，其基本設(shè)計(jì)原則是使R_(RESx)在電源電壓下消耗大約50％總功耗。

 

 

其中，V_(SUPPLY) = 12V，I_{(OUTx_Tot)} = 100mA。當(dāng)V_(OUTx) = 2×2.2V = 4.4V時(shí)，R_(RESx)（包括R_(RES1)、R_(RES2)、R_(RES3)）的阻值為152Ω。

 

STEP 5：設(shè)計(jì)用于設(shè)置LED開(kāi)路診斷功能的SUPPLY電壓閾值，并使用如下公式計(jì)算DIAGEN引腳上分壓電阻R₁、R₂的阻值。

 

2個(gè)LED的最大正向壓降為2×2.5 V = 5V；為避免在慢上電工作過(guò)程中誤報(bào)開(kāi)路故障，需要考慮SUPPLY引腳和OUTx引腳之間的最小壓差；當(dāng)電源電壓低于2個(gè)LED的最大正向壓降、V_{（OPEN_th_rising）}、V_{（CS_REG）}三者之和時(shí)，TPS92633-Q1必須關(guān)閉開(kāi)路檢測(cè)功能。分壓電阻R1、R2的阻值可通過(guò)如下公式計(jì)算。

 

 

其中V_{(OPEN_th_rising)} = 210mV(maximum)，V_{(CS_REG)} = 160mV(maximum)，VIL_(DIAGEN) = 1.045V(minimum)，R₂ = 10kΩ(推薦值)。此時(shí)，R₁為41.2kΩ。

 

2.3  仿真曲線

 

 

200Hz下80%占空比PWM調(diào)光 & 600Hz下20%占空比PWM調(diào)光

 

 

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