TPS92633-Q1解決LED驅(qū)動(dòng)芯片的過(guò)熱和離板不確定性問(wèn)題

如今，線性LED驅(qū)動(dòng)芯片越來(lái)越多地應(yīng)用于汽車車身照明系統(tǒng)，且尤其適合應(yīng)用在尾燈模塊。多年來(lái)TI一直致力于為汽車行業(yè)用戶提供最具競(jìng)爭(zhēng)力的LED驅(qū)動(dòng)解決方案，構(gòu)建創(chuàng)新、可靠、經(jīng)濟(jì)高效的汽車照明系統(tǒng)。

在您設(shè)計(jì)車身照明系統(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。Itotal是流向LED的總電流，等于流經(jīng)OUT引腳和Rres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Rres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，乘用車電池的電壓范圍為9V至16V，汽車尾燈的環(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)Vin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。

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，RICTRL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)不同功能的汽車尾燈，包括剎車燈、轉(zhuǎn)向燈、霧燈、倒車燈等；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。

原理圖設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)需求

乘用車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)剎車燈功能；每個(gè)LED的最大正向壓降VF_MAX為2.5V，最小正向壓降VF_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VF_MAX為2.5V，最小正向壓降VF_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

審核編輯：郭婷