La segnalazione dei guasti nei sistemi di illuminazione automotive: gestire i segnali Power Good e Fault

Segnalare agli utenti la presenza di un guasto in un sistema elettrico è incredibilmente importante, soprattutto quando si tratta dei sistemi di illuminazione per autoveicoli.

Un esempio sono gli indicatori di direzione dei fanali posteriori di un’automobile, con cui un conducente segnala di voler cambiare corsia o svoltare. Una sorgente luminosa comune e sempre più utilizzata per gli indicatori di direzione sono i LED, gestiti da driver LED con topologia di circuito a doppio stadio che comprende uno stabilizzatore di tensione buck al primo stadio e un driver LED lineare a corrente costante al secondo stadio. Le topologie a doppio stadio offrono vantaggi in termini di efficienza termica.

Il modulo per indicatore di direzione a LED mostrato nella Figura 1 è composto da una tipica batteria per autoveicoli, un interruttore, un filtro di ingresso, un regolatore buck e alcuni driver LED. Che cosa succede quindi se la luce smette di funzionare? In che modo è possibile venire a saperlo? Quale parte del sistema ha smesso di funzionare?

I circuiti integrati del regolatore buck e del driver LED implementano funzionalità diagnostiche per rilevare un evento contro i guasti. Ad esempio, il segnale POWER GOOD è una funzione diagnostica utilizzata per indicare se l’uscita di un buck è regolata o meno. Allo stesso modo, i driver LED a corrente costante emettono un segnale FAULT per indicare i cortocircuiti e i circuiti aperti dei LED.

Questo articolo si dedica in particolare ai circuiti di guasto per i sistemi di illuminazione posteriori e su come combinare i segnali PWRGD da un regolatore buck e il segnale FAULT da un driver LED per progettare un circuito di guasto.

Il segnale PWRGD del convertitore buck

Il pin POWER GOOD è tipicamente un’uscita open-drain con una resistenza pull-up esterna. L’uscita segnala lo stato high durante il normale funzionamento e low se la tensione di uscita è bassa a causa di una tensione di uscita errata, spegnimento termico o abilitazione/spegnimento. Per i dispositivi TI, è possibile consultare il documento regolatori buck con funzionalità pin POWER GOOD.

Secondo le schede tecniche, il pin POWER GOOD deve essere portato su high utilizzando i valori consigliati. Dati i requisiti di sistema, è possibile portare il pin POWERGOOD su high verso l’uscita di un regolatore buck utilizzando una resistenza pull-up. Tuttavia, se la tensione di uscita del regolatore buck è maggiore della tensione di pull-up consigliata, è consigliabile utilizzare un diodo Zener per il clamp a tensione inferiore.

Segnale FAULT del driver LED

Nei driver LED lineari di TI, il pin FAULT è un transistor open-drain con pull-up interno debole e deve essere portato su high per emettere il segnale di guasto. Durante il normale funzionamento, il pin FAULT è su high. Se si verificano un cortocircuito o un guasto aperto del LED, il dispositivo presenta una corrente di pull-down interna e il pin FAULT è allo stato low.

I driver LED per uso automotive di TI dispongono di due opzioni di progettazione per i pin FAULT:

• One-fail-all-fail (OFAF): spegne tutti i dispositivi e segnala un guasto in caso di guasto in uno dei dispositivi.
• OFAF disabilitato: quando un dispositivo presenta un guasto, i dispositivi rimanenti continuano a funzionare e viene segnalato il guasto.

Quando si collegano insieme i pin FAULT di un massimo di 15 dispositivi, il sistema utilizza l’OFAF. La Figura 2 mostra il circuito del connettore di guasto collegato ai pin FAULT dei driver LED. Il circuito del connettore di guasto viene utilizzato per aumentare la robustezza del segnale FAULT. L’open-drain con pull-up viene utilizzato per facilitare l’interfaccia con i circuiti esterni.

L’OFAF disabilitato richiede un circuito aggregatore dei guasti. La Figura 3 mostra il circuito aggregatore dei guasto collegato ai pin FAULT dei driver LED. L’uscita open-drain con pull-up viene utilizzata per indicare che OUT è low in caso di guasto e high se non sono presenti guasti.

Il circuito aggregatore di guasti è definito come circuito di pull-up per pin di guasto. Per disabilitare l’OFAF, il pin FAULT deve essere «tirato su» (pulled-up) per mantenere sempre una tensione superiore a 2 V. Il transistor a canale P (PNP) viene utilizzato per convertire il pin FAULT da pin controllato in corrente in una tensione. La resistenza di pull-up R2 mantiene FAULT a un valore maggiore di 2 V. In genere, un segnale di guasto risulta low in caso di guasto e high in assenza di guasto. Pertanto, l’uscita open-drain con pull-up inverte la logica del circuito aggregatore di guasti per indicare che OUT è low in caso di guasto e high in assenza di guasto. È possibile omettere l’uscita open-drain con pull-up dal progetto se il sistema richiede che OUT sia high in caso di guasto e low in assenza di guasto.

Quando viene attivato un guasto, il driver LED abbassa internamente la corrente, mentre la corrente di pull-down attraversa la resistenza di pull-up R2. Il PNP si attiva, l’uscita di PNP passa a high e OUT diventa low. Quando non viene attivato alcun guasto, il driver LED è soggetto a pull-up internamente e il PNP funge da interruttore aperto. L’uscita di PNP diventa low e OUT diventa high. In entrambi i casi, FAULT rimane maggiore di 2 V.

Considerando il modulo per indicatore di direzione, la tensione di uscita del regolatore buck deve alimentare il circuito dell’aggregatore di guasti; un diodo Zener può bloccare (clamp) l’uscita del regolatore buck ad una tensione inferiore. In caso di guasto del regolatore buck, l’aggregatore di guasti non riceve l’alimentazione e viene segnalato un guasto.

Il «Progetto di riferimento per fanale posteriore con attenuazione high-side per autoveicoli» mostra come progettare un circuito aggregatore di guasti utilizzando il TPS92630-Q1 e il TPS92638-Q1 di TI.

Utilizzo del segnale POWER GOOD per abilitare un driver LED

Uno dei metodi per combinare il segnale POWER GOOD del regolatore buck con il segnale FAULT del driver LED consiste nello sfruttare il pin di abilitazione (EN, enable) del driver LED. Quando il pin EN è high, il driver LED funziona normalmente. Quando il pin EN è low, il driver LED è in modalità sleep, con una corrente di riposo estremamente bassa.

La Figura 4 mostra come collegare il pin POWER GOOD al pin EN utilizzando la resistenza pull-up R4 e un diodo Zener. Il diodo Zener fornisce una tensione di pull-up inferiore per il pin POWER GOOD. Il pin POWER GOOD viene «tirato su» da R4 alla tensione di clamp dal diodo Zener.

Collegando l’uscita del pin POWER GOOD al pin EN dei driver LED, il segnale POWER GOOD controlla ora i driver LED. Durante il normale funzionamento, il pin POWER GOOD è high e i driver LED sono abilitati. In caso di guasto del regolatore buck, il pin POWER GOOD risulta low, i driver LED non sono abilitati, il circuito dell’aggregatore di guasti non riceve l’alimentazione e OUT diventa low, indicando quindi un guasto.

Analisi dei guasti di sistema

L’obiettivo di un circuito di guasto è indicare qualsiasi guasto nel modulo di un indicatore di direzione che impedisca l’accensione dei LED. Le fonti di un guasto potrebbero essere un’uscita di tensione errata del regolatore buck, un’uscita di corrente errata dei driver LED oppure LED difettosi.

La Figura 5 mostra lo schema a blocchi completo del modulo per indicatore di direzione, in cui il pin POWER GOOD si collega al pin EN dei driver LED utilizzando la resistenza pull-up R4 e un diodo Zener. Il circuito dell’aggregatore dei guasti disabilita l’OFAF.

Quando il sistema funziona normalmente, la tensione della batteria viene filtrata e ridotta per alimentare i driver LED. Il pin POWER GOOD viene «tirato su» fino alla tensione di clamp del diodo Zener, risulta quindi high e abilita i driver LED. I LED quindi si accendono, senza che venga rilevato alcun guasto dei LED per cortocircuito o circuito aperto. Pertanto, FAULT risulta low, l’aggregatore errori risulta low e nessun errore viene indicato all’uscita.

Passiamo ora a considerare un guasto nella tensione di uscita del regolatore buck. La tensione di uscita buck è fuori dall’intervallo nominale e il pin POWER GOOD risulta low. I driver LED sono disabilitati e i LED sono spenti. FAULT risulta low quando i driver LED sono disabilitati. L’aggregatore di guasto non riceve alimentazione dalla tensione di clamp del diodo Zener e l’uscita diventa low, indicando un guasto.

Il modulo per indicatore di direzione può risultare guasto in altri modi. Alcuni esempi sono un cortocircuito o un circuito aperto del LED oppure un arresto termico del driver LED. Il circuito mostrato nella Figura 4 consente di rilevare questi diversi tipi di guasto nel modulo per indicatore di direzione.

Conclusione

I sistemi di illuminazione automotive stanno implementando sempre più spesso i circuiti di guasto. Per risparmiare spazio e ridurre i costi per i circuiti di guasto, è possibile provare a collegare il pin POWER GOOD al pin EN del driver LED. Per i guasti dei LED, si può considerare di utilizzare o disabilitare l’OFAF. Scegliete l’opzione di design che meglio soddisfa i requisiti per la vostra applicazione specifica.

Al seguente link sono disponibili ulteriori risorse di progettazione per sistemi di illuminazione automotive di Texas Instruments.