电路方案分析（十五）符合 EMC 标准的汽车制动灯和尾灯设计方案

符合 EMC 标准的汽车制动灯和尾灯设计方案

tips：TI设计方案参考分析：TI Designs：TIDA-01374

1.系统描述
1.1关键参数

2.系统概述
2.1系统框图
2.2关键元器件

3.设计原理
3.1双重亮度设计
3.2 电荷泵设计
3.4 LED故障设计
3.3 MOSFET驱动电路
3.5 DIAGEN,降额和PWM阈值设计

说明：

该参考方案详细展示了制动灯和尾灯的解决方案。汽车电池直接为该方案中使用的 TPS92830-Q1 线性发光二极管 (LED) 控制器供电，从而允许设计人员使用同一 LED 实现两种功能。该参考方案还 具有 强大的电磁兼容性 (EMC) 性能，并提供全面的保护和诊断。

特性
• 汽车电池电源
• 符合 CISPR 25 传导和辐射发射标准并通过了ISO11452-4 大电流注入 (BCI) 测试
• 借助器件内部脉宽调制 (PWM) 发生器实现制动灯和尾灯重复使用
• LED 灯 开路、接地短路和电池短路诊断以及自动恢复
• 故障总线可配置为“连带失效”或“仅失效的通道关闭”
• 使用模拟调光输入引脚实现 LED 分档功能

应用
• 汽车后灯（制动灯和尾灯）

1.系统描述

汽车制动车灯和尾灯通常重复使用相同的两级亮度LED。该参考设计使用TPS92830-Q1控制器的集成PWM生成器，为制动和尾灯重用应用提供了双亮度解决方案。两个设备通过同步PWMOUT输出进行级联。

使用线性器件，该设计具有令人满意的EMC性能，符合CISPR 25-5级传导发射和辐射发射标准，并通过了ISO11452-4 BCI测试。

该设计为LED设备提供了LED短路和开路故障的保护，并自动恢复。LED开路检测被禁用，以避免由于电源电压较低而导致的输出通道上的错误诊断。通过使用不同的故障总线配置，可以将系统配置为一次故障-全故障或仅故障-通道关闭。

在设计中，通过设置电阻进行模拟调光，实现LED亮度校正。此外，当输入电压高于18 V时，可以降低LED电流，以保护MOSFET不受过热。

1.1关键参数

2.系统概述

2.1系统框图

2.2关键元器件

2.2.1 TPS92830-Q1

TPS92830-Q1是一款先进的、汽车级、高侧、恒流、线性LED控制器，使用外部N通道MOSFET提供高电流。

该设备具有适合汽车应用的全套功能。

TPS92830-Q1设备的每个信道使用感应电阻值独立地设置信道电流。一个内部的、精确的、恒电流的调节回路通过感应电阻上的电压来感知通道电流，并相应地控制N通道MOSFET的栅极电压。该装置还集成了一个两级电荷泵，用于LDO操作。电荷泵的电压足够高，可以支持广泛的n通道mosfet的选择。

TPS92830-Q1 器件的每个通道可以通过感应电阻器值独立设置通道电流。内部精密恒定电流调节环路通过感
应电阻器上的电压感应通道电流，并相应地控制 N 沟道 MOSFET 的栅极电压。该器件还集成了一个两级电
荷泵，用于低压降运行。电荷泵电压足够高，可以支持各种 N 沟道 MOSFET。PWM i调光i允许使用多个。

专门为汽车应用设计的各种诊断和保护功能有助于提高系统的安全性和易用性。一次故障-全故障故障总线支持TPS92830-Q1操作，以及TPS92630-Q1、TPS92638-Q1和TPS9261x-Q1系列设备，以满足各种故障处理要求。

在实现更佳的灯光均匀性的趋势下，高电流 LED 通常用于汽车前灯和后灯（配备灯光扩散器和导光板）。同
时，为了满足严格的 EMC 和可靠性要求，线性 LED驱动器广泛用于汽车 应用。不过，通过集成功率晶体
管为线性 LED 驱动器提供高电流是一项挑战。TPS92830-Q1 器件是一款先进的汽车级高侧恒定电流
线性 LED 控制器，通过使用外部 N 沟道 MOSFET 提供高电流。该器件具有一整套用于 汽车 应用的 功能，
并与各种 N 沟道 MOSFET 兼容。

3.设计原理

此参考设计使用两个TPS92830-Q1，线性LED控制器驱动6个红色LED串。TPS92830-Q1设备提供了一个精密的PWM驱动器，实现了汽车制动灯和尾光应用的双亮度输出控制。两个设备通过同步PWMOUT输出进行级联。通过使用TPS92830-Q1的全套功能，该设计可以通过简单的外部电路实现各种功能。图2显示了设计的原理图。

3.1双重亮度设计

3.1.1 双重亮度控制

这个参考设计使用相同的一组LED来照亮汽车停车灯和尾灯。这些led可以在两种不同的亮度水平下工作。
设置亮度水平的一种方法是通过模拟调光，这意味着led总是在100%的占空比下工作，通过led的最大电流根据所需的亮度水平而变化。然而，不同水平的LED电流可能会影响LED的色温。
另一种选择是使用PWM调光，它可以在相同的色温下达到所需的调光比。

TPS92830-Q1设备提供了一个集成的芯片PWM精密调光。外部RC电路设置PWM信号的占空比和频率，如图2所示。该设备可以通过使用FD输入在内部PWM调制模式和100%占空比模式之间灵活切换。当FD引脚较低时，通道PWM依赖于内部的PWM发生器。当FD引脚很高时，内部PWM发生器被关闭，PWM输入完全控制输出。此外，该设备还支持开漏极PWMOUT，以便在设备间进行同步。

在此设计中，通过将U1的PWMOUT（TPS92830-Q1）连接到U2的三个PWM输入端（TPS92830-Q1），两个设备处于主从配置。当停止终端连接到电池时，U1的FD输入量较高。U1的输出电流为100%占空比，每通道150 mA。而且，U1的PWMOUT也很高，所以U2的输出电流也处于全占空比。LED字符串在制动模式下工作。当TAIL终端连接到电池时，U1的FD输入量较低。外部RC电路设置的输出电流为20%占空比和400 Hz。LED串在尾灯模式下工作。

3.1.2 LED电路设计

TPS92830-Q1设备有三个独立的、恒定的、电流驱动通道。每个通道用一个外部、高侧、电流感测电阻器RSNSx来设置通道电流。通道电流设置为V（CS_REG）/ RSNSx。

考虑到模拟调光针ICTRL用于LEDbin亮度校正，使用调光比k（ICTRL_DIM）降低了电流感电压V（CS_REG）。如果ICTRL电压V（ICTRL）降低，则感应电阻上的电压和输出电流降低。图3表示模拟调光比与V（ICTRL）电压。在线性区域，模拟调光比可以用公式1计算出来。

在此设计中，每个LED串的电流设置为150 mA，因此使用公式2可以计算电流感测电阻。

在此设计中，对RBin、R11和R24使用750-Ω电阻。在R1（R18）、R2（R19）和R6（R21）上使用1.0-Ω电阻器。如果使用来自不同箱的led，设计者可以使用不同值的箱置电阻来调整输出电流，而电流感电阻可以保持不变。

3.2.3 PWM发生器设计

如节3.1.1所描述的，设计者必须生成一个20%的占空比和400-Hz频率的PWM输出来实现尾光功能。PWM发生器使用参考电流2×I（IREF）作为内部电荷电流，I（PWMCHG）。图2中的参考电阻R5和R20的推荐值为8 kΩ。在此设计中选择8.06-kΩ电阻。

使用外部电阻R13和C12根据要求设置PWM循环时间和占空比（参见公式3和公式4）。

R13可以在公式5中推导出如下。

C12可以在公式6中推导出如下。

公式3表明，占空比仅依赖于R13，与C12无关，因此C12的电容变化对占空比的精度没有影响。

根据计算结果，在设计中采用R13 = 28 kΩ和C12 = 0.12µF。

由于U2作为从端连接，所以U2的PWM输入端连接到U1的PWMOUT以进行同步。U2的FD被拉到VIN，PWM发生器的振荡停止。U2的PWMCHG直接与地面连接。

3.2 电荷泵设计

TPS92830-Q1装置使用一个两级电荷泵来产生高侧栅极驱动电压，如图2所示。电荷泵是使用外部电容器C6（C19）和C8（C21）和存储电容器C10（C23）。电荷泵的电压足够高，可以支持广泛的N通道mosfet的选择。C6（C19）和C8（C21）和C10（C23）的推荐电容分别为10 nF、10 nF和150 nF。

3.3 MOSFET驱动电路

为了确保控制回路的稳定性，驱动电路需要在MOSFETs上有足够的门到源电容（CGS）。建议MOSFETs上的最小总门到源电容为4 nF。对于NVD3055-150 MOSFET，建议在栅极和源端子上放置额外的电容器，因为CGS小于1 nF。使用C2（C15）= C7（C20）= C11（C24）= 4.7 nF。

3.4 LED故障设计

TPS92830-Q1设备为此设计提供了先进的诊断和故障保护方法。该设备可以检测和保护系统免受LED输出短路到-GND、LED输出开路、和设备过温的情况。

TPS92830-Q1支持灵活的故障总线诊断，可以根据立法要求和应用条件将其配置为单故障-全故障或仅故障-通道关闭。设置电阻R12可启用和禁用单故障-全故障功能。

在图4中，当R12没有焊接时，故障脚是浮动的。在正常运行过程中，一个内部的上拉电流源微弱地拉起故障引脚。如果出现任何故障情况，内部下拉电流源强烈拉故障销低。所有输出关闭保护，有效实现一失全坏功能。故障通道不断重试，直到故障情况被消除。设计人员还可以将故障总线连接到单片机上，以进行故障报告。

如果焊接R12，则故障脚将从外部拉起。禁用单故障-全故障功能，仅关闭故障通道。一个16V齐纳二极管（D10）用于防止故障引脚过电压，因为故障引脚的建议最大工作电压为20 V。

3.5 DIAGEN, DERATE和PWM阈值设计

图5显示了DIAGEN、DERATE和PWM阈值设置的示意图。

、
3.5.1 DIAGEN设置

当输入电压不够高，不足以使外部n通道MOSFET保持在恒流饱和区域时，TPS92830-Q1器件在LDO模式下工作。在LDO模式下，必须通过DIAGEN输入禁用LED开路检测。否则，退出模式将被视为LED开路故障。

在此设计中，当VIN > 9 V时，将启用LED开启检测。使用公式7设置电阻分频器R7（R22）和R14（R26）。

设置R7（R22）= 124 kΩ和R14（R26）= 20 kΩ。

3.5.2 DERATE 设置

TPS92830-Q1设备具有集成的输出-电流降额功能。如果减额引脚电压（V（降额））增加，感测电阻器上的电压就会降低，因此输出电流也会减小。图6显示了输出电流降额剖面图。

使用外部电阻分压器R8（R23）和R15（R27），从VIN连接以设置V（降额）电压，如图5所示，当VIN超过设定电平时，电流减小。因此，利用电流降电功能可以限制外部mosfet和led的功耗，以防止在高输入电压下的热损伤。

在此设计中，输出电流配置为在VIN > 18 V时降低，具有输出电流降流特性。使用公式8设置电阻分频器比。

设置R8（R23）= 182 kΩ和R15（R27）= 20 kΩ。

3.5.3 PWM阈值设置

由于现代汽车系统的电池电压范围很广，汽车原始设备制造商的一个共同要求是在电池电压低于最小电压阈值时关闭led。在此设计中，这三个通道被设计为在VIN > 6 V. PWM1到PWM3与电阻分频器R9和R16连接在一起时被启用。

设置R9 = 75 kΩ和R16 = 20 kΩ。