探究汽车照明系统故障电路的设计

向用户指示系统故障相当重要，尤其是在汽车照明方面。

以汽车尾灯中的转向指示灯为例，它表示驾驶员想要变换车道或转向。LED是用于转向指示灯的一种常见且不断增强的光源，由一个双级LED驱动电路拓扑驱动。该双极LED驱动电路拓扑由一个第一级降压稳压器和一个第二级恒流线性LED驱动器构成，具有热效率优势。

图1中基于LED的转向指示灯模块包括一个典型汽车电池、开关、输入滤波器、降压稳压器和几个LED驱动器。当车灯停止正常运行时，驾驶员将如何得知？如何确定是系统的哪个部分出现故障？

图1：转向指示灯模块

降压稳压器和LED驱动器集成电路实施诊断功能，以便检测故障事件。例如，“电源正常”信号是一种诊断特征，用于指示降压的输出是否处于调节状态。同样，恒流LED驱动器输出故障信号来指示LED短路和开路。

在本文中，我将着重讨论汽车尾灯故障电路，以及如何结合降压稳压器的PWRGD信号和LED驱动器的故障信号来设计故障电路。

降压转换器PWRGD信号

“电源正常”引脚通常是带外部上拉电阻的开漏输出。在正常运行时，输出显示为高，而由于错误输出电压、热关机或使能关机等原因输出电压低时，则显示为低。了解TI器件的更多信息，请查看具有“电源正常”功能的降压稳压器”。

根据数据表，必须使用推荐值将“电源正常”的引脚拉高。鉴于系统要求，可以使用上拉电阻将“电源正常”引脚拉高到降压稳压器的输出。然而，如果降压稳压器的输出电压大于推荐的上拉电压，最好使用齐纳二极管钳位到较低电压。

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LED驱动器故障信号

TI的线性LED驱动器中，故障引脚是一个内部上拉很弱的开漏晶体管，必须拉高才能释放故障信号。在正常工作时，故障引脚显示为高。如果发生LED短路或开路故障，该设备具有的内部下拉电流将使故障引脚显示为低。

TI的汽车级LED驱动器有两个故障引脚设计选项：

One-fail-all-fail（OFAF）：如果一个设备出现故障，则报告该故障并关闭所有设备。

禁用OFAF：当一个设备发生故障时，报告该故障，其余设备继续运行。

当连接多达15个设备的故障引脚时，系统使用OFAF。图2展示了连接到LED驱动器故障引脚的故障连接器电路。故障连接器电路用于提高故障信号的鲁棒性，带上拉的开漏则用于方便与外部电路连接。

图2：故障连接器

禁用OFAF需要故障聚合器电路。图3显示了连接到LED驱动器故障引脚的故障聚合器电路。带上拉的开漏输出在发生故障时显示为OUT低，在无故障时显示为高。图3：故障聚合器

故障聚合器电路被定义为故障引脚上拉电路。如要禁用OFAF，必须上拉故障引脚，以保持始终高于2 V的电压。P通道晶体管（PNP）可将故障管脚从电流控制引脚转换为电压。上拉电阻R2保持故障大于2V。通常来说，故障信号在发生故障时显示为低，无故障时显示为高。因此，带上拉的开漏输出将颠倒故障聚合器电路的逻辑，以便在发生故障时显示为OUT低，在无故障时显示为高。如果系统在发生故障时要求显示OUT高，而在无故障时显示低，则可以从设计中忽略带上拉的开漏输出。

触发故障时，LED驱动器从内部下拉电流，下拉电流流过上拉电阻R2。PNP打开，其输出变高，OUT变低。未触发故障时，LED驱动器从内部上拉，PNP用作开路开关，其输出变低，OUT变高。在这两种情况下，故障仍然大于2V。

就转向指示灯模块而言，降压稳压器的输出电压应为故障聚合器电路供电；齐纳二极管可以将降压稳压器的输出钳位到较低电压。一旦降压稳压器发生故障，故障聚合器将断电，并显示故障。

“汽车高侧调光尾灯参考设计”展示了如何使用TI的TPS92630-Q1和TPS92638-Q1设计故障聚合器电路。

使用“电源正常”信号启用LED驱动器

将降压稳压器“电源正常”信号和LED驱动器故障信号结合起来的一种方法是利用LED驱动器的使能（EN）引脚。当EN引脚高时，LED驱动器正常工作；当EN引脚低时，LED驱动器处于睡眠模式，具有超低静态电流。

图4展示了如何使用上拉电阻R4和齐纳二极管将“电源正常”引脚连接到EN引脚。齐纳二极管为“电源正常”引脚提供较低的上拉电压；“电源正常”引脚则被R4拉高到齐纳二极管的钳位电压。

通过将“电源正常”引脚的输出连接到LED驱动器的EN引脚，“电源正常”信号现在控制LED驱动器。在正常运行时，“电源正常”引脚显示为高，LED驱动器启动。在降压稳压器发生故障的情况下，“电源正常”引脚l显示为低，LED驱动器不启动，故障聚合器电路无电源，OUT变为低 – 表示存在故障。

系统故障分析

故障电路的目的是显示转向指示灯模块中导致LED不亮的任何故障。故障源可能是降压稳压器的电压输出不正确、LED驱动器的电流输出不正确或LED故障。

图5显示了完整的转向指示灯模块框图，其中“电源正常”引脚使用上拉电阻R4和齐纳二极管连接到LED驱动器的EN引脚。故障聚合器电路禁用OFAF。

当系统正常工作时，电池电压会被过滤和降低，从而为LED驱动器供电。“电源正常”引脚被上拉到齐纳二极管钳位电压，显示为高并启用LED驱动器。随后，若未监测到LED短路或开路等故障，则LED通电。此时，故障显示为低，故障聚合器显示为低，且显示输出无故障。

接下来考察降压稳压器输出电压故障的情况。降压输出电压超出标称范围时，“电源正常”引脚显示为低，LED驱动器被禁用，LED被关闭。当LED驱动器被禁用时，故障显示为低。故障聚合器没有来自齐纳二极管钳位电压的电源，输出变低，以指示存在故障。

转向指示灯模块故障可能会以其他形式出现，比如LED短路或开路或LED驱动器热关机。图4所示的电路可在转向指示灯模块中检测这些不同的故障类型。

结论

汽车照明系统正在采用更多的故障电路。如要节省空间和降低故障电路的成本，可以尝试将“电源正常”引脚连接到LED驱动器的EN引脚。对于LED故障，可以考虑使用或禁用OFAF。请根据您特定应用程序选择能满足其需求的设计选项。