TLE8201在車門模塊中的應(yīng)用

TLE8201

　　TLE8201是一種用于車門模塊的高度集成功率ASSP(專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品)。其中包括用于驅(qū)動(dòng)典型前車門應(yīng)用中負(fù)載所必需的功率級(jí)，這些負(fù)載包括中央門鎖、死鎖或后視鏡折疊、后視鏡定位、后視鏡加熱，以及5W或10W車燈或LED(如轉(zhuǎn)向信號(hào)燈、門控車室照明燈/安全警報(bào)燈或控制面板照明燈)等。

圖1 TLE8201方框圖

　　TLE8201具有符合汽車應(yīng)用安全規(guī)范的短路與超溫保護(hù)功能和完備的診斷功能。而電流感應(yīng)輸出則能提升系統(tǒng)的整體性能。

　　標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口不但能減少微控制器I/O線路的長(zhǎng)度，而且還可靈活控制功率級(jí)，并提供完備的診斷功能。

　　TLE8201擁有兩個(gè)PWM輸入端，均為直接功率級(jí)控制輸入端，可增強(qiáng)PWM映射的靈活性。SPI寄存器中的信息定義將由PWM輸入端控制的功率級(jí)。可對(duì)PWM功能進(jìn)行配置，最多可支持八個(gè)功率晶體管。

　　該器件采用Power-SO封裝，配有一個(gè)大型散熱塊，因此具有良好的熱阻性能。引腳經(jīng)過優(yōu)化處理，可實(shí)現(xiàn)高效的PCB設(shè)計(jì)。TLE8201的應(yīng)用不但有利于節(jié)省PCB面積和節(jié)省成本，而且能增強(qiáng)系統(tǒng)質(zhì)量，并提高產(chǎn)量。

　　TLE8201應(yīng)用電路

　　圖2為車門控制模塊中的TLE8201應(yīng)用電路。

 圖2 應(yīng)用電路

　　電源

　　TLE8201擁有兩個(gè)電源輸入端：所有功率驅(qū)動(dòng)器均與連接至汽車12V電源線的供電電壓Vs引腳相連。內(nèi)部邏輯電路部分則由一個(gè)獨(dú)立的5V Vcc電壓供電。這樣，即使Vs發(fā)生短時(shí)停電，也可確保存儲(chǔ)于邏輯電路中的信息不受影響。

　　TLE8201要求配備外部反極性保護(hù)，它配有一個(gè)電荷泵輸出端，用于連接外部n通道邏輯電平MOSFET。該保護(hù)電路的連接方法如圖2所示，柵極電壓由引腳GO提供。

　　通過把INH輸入設(shè)置為“低”，可將TLE8201置于低能耗模式。在休眠模式下，所有輸出晶體管均被關(guān)閉，SPI停止工作。在此模式下，總靜態(tài)電流的最大值僅為6μA(Vs和Vcc)。

　　SPI

　　SPI用于實(shí)現(xiàn)與控制單元的雙向通訊。當(dāng)通過CSN(chip-select-not)輸入(H至L)模式選擇芯片時(shí)，則會(huì)啟動(dòng)傳輸周期。16-位控制字通過DI串行數(shù)據(jù)輸入端讀取。狀態(tài)字則同步顯示于DO串行數(shù)據(jù)輸出端。同步通訊通過串行時(shí)鐘輸入端CLK實(shí)現(xiàn)。

　　如圖3所示，16位SPI框架由一個(gè)可尋址塊、一個(gè)地址獨(dú)立塊和一個(gè)2位地址構(gòu)成，包括兩個(gè)控制寄存器和兩個(gè)診斷寄存器。地址獨(dú)立輸入部分用于一般性設(shè)置，地址獨(dú)立輸出部分則用來標(biāo)記錯(cuò)誤和記錄溫度信息。

圖3 SPI結(jié)構(gòu)

　　PWM輸入

　　PWM-ing是TLE8201提供的一種非常靈活的功能?？赏ㄟ^兩種PWM模式配置對(duì)所需功率級(jí)進(jìn)行控制：將PWM1和PWM2引腳與微控制器的計(jì)時(shí)器通道相連，然后選擇所需HSsel位，以激活PWM功能。建議將PWM頻率設(shè)置為200 Hz以下，以最大限度地減少開關(guān)損耗導(dǎo)致的功率消耗。

　　電流感應(yīng)

　　ISO(感應(yīng)輸出)引腳提供與所選功率輸出端流向GND的輸出電流成比例的電流。輸出端選擇通過SPI實(shí)現(xiàn)。

　　而感應(yīng)電流則由外部感應(yīng)電阻器R43轉(zhuǎn)換成電壓，并送至A/D變流器輸入端。

　　輸出級(jí)

　　輸出1-6為半橋，輸出7-11則是高邊開關(guān)。閂鎖電機(jī)和后視鏡折疊電機(jī)均可連接至輸出1、輸出2和輸出3。輸出2是兩個(gè)電機(jī)電流之和。兩個(gè)后視鏡定位電機(jī)連接至輸出4、輸出5和輸出6。高邊驅(qū)動(dòng)器輸出7用于驅(qū)動(dòng)后視鏡加熱器。輸出8和輸出9用于驅(qū)動(dòng)5W車燈。輸出10可與輸出11相連，共同驅(qū)動(dòng)10W車燈。

　　閂鎖控制

　　啟動(dòng)

　　TLE 8201的輸出1和輸出2均與閂鎖電機(jī)相連。車門控制模塊中的微控制器通過SPI與TLE 8201進(jìn)行通訊。開啟電源后，門鎖狀態(tài)或者由車身控制模塊接收并傳送至車門控制模塊，或者由車門控制模塊通過LIN或CAN直接接收。車門或開關(guān)面板發(fā)出開關(guān)輸入請(qǐng)求，或者收到BCM發(fā)來的CAN/LIN消息時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)閂鎖電機(jī)。

　　圖4所示為閂鎖電機(jī)的啟動(dòng)波形。通道1是流過閂鎖電機(jī)的電流。通道2和3為TLE 8201中輸出1和輸出2的電壓輸出。未采用PWM軟啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)突波電流可能達(dá)到2A。啟動(dòng)后，電流會(huì)下降至0.8A左右。閂鎖完全閉合或打開時(shí)，若發(fā)生電機(jī)堵轉(zhuǎn)，則可執(zhí)行閂鎖電機(jī)自動(dòng)停機(jī)。檢測(cè)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，可通過TLE 8201的ISO輸出端來測(cè)量電機(jī)電流;該輸出端與接地感應(yīng)電阻器R43相連，并通過保護(hù)電阻器R42與MCU模擬輸入端相連。

　　塊檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法如下：

　　KILIS12 = 2000，R43 = 910ohm，根據(jù)波形可知，最小塊電流為IOUT = 2.5A;然后，即可計(jì)算出塊檢測(cè)電壓：

塊檢測(cè)電壓(Vblock-detection)= IISO * R43 = IOUT/KILIS12 * R43 = 2.5A/2000 * 910V/A=1.1375V

　　檢測(cè)出塊電壓后，將HS1和HS2切換至“高”位，以使電機(jī)進(jìn)入續(xù)流模式。HS1和HS2均保持高位100毫秒。從L切換至H時(shí)，最少將出現(xiàn)3 微秒的空載時(shí)間，以確保不會(huì)發(fā)生開關(guān)傾斜(switching slope)重疊現(xiàn)象，從而避免出現(xiàn)渦流(cross current)。

　　續(xù)流過程中，會(huì)存在較小的電流，這是閂鎖電機(jī)的特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)造成的結(jié)果。閂鎖中有一個(gè)彈簧，用于保護(hù)閂鎖，使之免受損壞，否則，閂鎖會(huì)猛擊門鎖上部。

　　以下為普通DC電機(jī)的電壓計(jì)算公式：

其中，Vbat表示外部電壓;i 表示電機(jī)電流;L 表示電機(jī)感應(yīng)器;n 表示電機(jī)速度;R 表示內(nèi)部電機(jī)電阻。

　　當(dāng)電機(jī)幾乎呈勻速運(yùn)行時(shí)，Vbat=iR+K0n(如圖1所示)。需要指出，K0n表示電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)。

　　當(dāng)電機(jī)開始續(xù)流時(shí)，

續(xù)流結(jié)束后，由于不存在電機(jī)電流(即不存在電機(jī)扭矩)，彈簧會(huì)將閂鎖電機(jī)略推回一點(diǎn)。也就是說，閂鎖電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)從零變?yōu)樨?fù)值，從而產(chǎn)生正電流，通過電機(jī)。

圖4 閂鎖啟動(dòng)波形

　　保護(hù)與診斷

　　啟動(dòng)狀態(tài)(ON-state)下，可通過橋輸出的低邊開關(guān)實(shí)現(xiàn)開啟負(fù)載檢測(cè)：當(dāng)通過低邊晶體管的電流低于參考電流，且IOCD處于啟動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間超過開啟負(fù)載檢測(cè)延時(shí)tdOC時(shí)，則會(huì)設(shè)定相應(yīng)的開啟負(fù)載診斷位。但是，輸出晶體管仍保持啟動(dòng)狀態(tài)。開啟負(fù)載出錯(cuò)位被鎖定，并可通過SPI狀態(tài)寄存器復(fù)位或開電復(fù)位重新設(shè)置。

　　后視鏡折疊控制

　　正常運(yùn)行

　　后視鏡折疊電機(jī)由TLE8201的輸出2和輸出3驅(qū)動(dòng)。由于各個(gè)半橋以串聯(lián)方式相連，而且通道電流也存在限制，因此一次只可驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)。所以只要閂鎖電機(jī)在運(yùn)行，就無法啟動(dòng)后視鏡折疊輸出。

　　圖5所示為后視鏡折疊電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的波形。通道1是流過后視鏡折疊電機(jī)的電流。通道2是輸出3的電壓，通道3則是輸出2的電壓。根據(jù)該波形，啟動(dòng)時(shí)突波電流的最大值是2.52A，而運(yùn)行過程中的額定電流則為0.4A。

圖5 后視鏡折疊電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的波形

　　電機(jī)會(huì)保持運(yùn)行直至鎖定或者超過3秒鐘。因?yàn)楹笠曠R折疊電機(jī)采用特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)，所以當(dāng)電機(jī)被鎖定時(shí)就會(huì)出現(xiàn)開啟負(fù)載!由于鎖定過程中的電流會(huì)降至0A，因此電機(jī)無需續(xù)流。

　　短路保護(hù)

　　圖6顯示了TLE8201的短路保護(hù)行為。各通道的含義與圖5相同。在正常運(yùn)行過程中，輸出2(通道3)的電壓較高，輸出3(通道2)的電壓則較低。額定電流為0.4A，圖6中看起來似乎為0A。

　　當(dāng)電機(jī)端子短路，且電流超過輸出3(ISD34通常為4A)停機(jī)閾值ISD的時(shí)間超過停機(jī)延時(shí)tdSD時(shí)，輸出3的輸出晶體管會(huì)關(guān)閉，并設(shè)定相應(yīng)的診斷位。由于輸出2的短路停機(jī)閾值高于8A，所以輸出2的輸出晶體管會(huì)繼續(xù)運(yùn)行。因此，輸出3的電壓會(huì)增加至與輸出2電壓相等的水平。

　　延時(shí)過程中，電流值限制為輸出3的ISC(ISC34通常為6A)。延時(shí)相對(duì)較短(通常為25微秒)，以便減少設(shè)備短路時(shí)的能量消耗。這種設(shè)計(jì)能夠提供電機(jī)應(yīng)用中所需的高峰電流。在向SPI發(fā)送狀態(tài)寄存器復(fù)位指令或執(zhí)行開電復(fù)位之前，輸出級(jí)將保持關(guān)閉狀態(tài)并設(shè)定出錯(cuò)位。

 圖6 短路保護(hù)行為

　　后視鏡定位控制

　　采用兩個(gè)電機(jī)，輸出4連接至X電機(jī)，輸出5連接至兩個(gè)電機(jī)，輸出6則與Y電機(jī)相連。圖7所示為其中一個(gè)后視鏡定位電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的波形。

　　按下按鈕，就會(huì)激活某個(gè)狀態(tài)。當(dāng)后視鏡折疊電機(jī)處于激活狀態(tài)時(shí)，不能激活后視鏡X-Y輸出。此類輸出不具備PWM控制。啟動(dòng)時(shí)的突波電流約為 0.2A，而額定電流則為0.1A。雖然無需使用主動(dòng)制動(dòng)，但在后視鏡移動(dòng)過后，高邊開關(guān)會(huì)在100毫秒的續(xù)流時(shí)間內(nèi)保持活動(dòng)狀態(tài)。

　　圖7顯示了短路保護(hù)行為。輸出1-6所用的短路保護(hù)理論完全相同。唯一差別在于短路停機(jī)電流閾值和短路電流值不同。

圖7 X-后視鏡電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的波形

圖8 短路保護(hù)行為

　　后視鏡除霜控制

　　PTC加熱器件由TLE 8201輸出7驅(qū)動(dòng)。超過固定的10秒開啟時(shí)間時(shí)，輸出由低頻(如10Hz)PWM控制，負(fù)載循環(huán)通常為40%。對(duì)PWM的控制則通過SPI由軟件實(shí)現(xiàn)。門鎖激活時(shí)，加熱器關(guān)閉，以降低通過TLE 8201的總體電流。

　　車燈控制

　　正常運(yùn)行

　　門控車室照明燈和安全警報(bào)燈均由TLE 8201輸出端10和11同步驅(qū)動(dòng)。輸出端由200 Hz PWM(劇場(chǎng)燈光效果)在2秒內(nèi)接通/斷開。PWM則由PWM2輸入控制。
轉(zhuǎn)向信號(hào)燈(10 w)由TLE 8201輸出端8和9驅(qū)動(dòng)。輸出由低頻(如1.5 Hz)PWM控制，負(fù)載循環(huán)通常為50%。對(duì)PWM的控制則通過SPI由軟件實(shí)現(xiàn)。

　　接地保護(hù)輸出短路

　　接地保護(hù)輸出短路行為顯示出接通過程中發(fā)生的短路與開啟狀態(tài)下發(fā)生的短路之間的區(qū)別。

　　接通過程中的短路

　　在輸出的接通過程中，通過電流和電壓水平來檢測(cè)有無短路。如果開關(guān)(如輸出8)打開而且短路條件有效，電流會(huì)超過停機(jī)閾值ISD8(1.8A至 3.5A)，而輸出端的電壓則會(huì)低于VSD8(1.5V至3.3V)。超過tdSDon8(125微秒至350微秒)時(shí)，輸出晶體管關(guān)閉，并設(shè)定相應(yīng)的診斷位。延時(shí)過程中，電流值限制為ISC8(通常為4.2A)，如圖9所示。通道1為輸出電流，通道2則為輸出電壓。

圖9 接通過程中短路保護(hù)的波形

圖10 接通過程中的短路保護(hù)

　　開啟狀態(tài)中的短路

　　若開關(guān)已打開并發(fā)生短路，且電流超過停機(jī)閾值ISD的時(shí)間超過停機(jī)延時(shí)tdSD(10微秒至60微秒)時(shí)，輸出晶體管會(huì)關(guān)閉，并設(shè)定相應(yīng)的診斷位。該機(jī)制與電壓Vout無關(guān)。見圖11。

圖11 開啟狀態(tài)中的短路保護(hù)

　　開啟負(fù)載

　　圖12顯示了高邊開關(guān)在關(guān)閉狀態(tài)下的開啟負(fù)載。開啟負(fù)載檢測(cè)通過比較輸出電壓與閾值VOpL來實(shí)現(xiàn)?？赏ㄟ^OpLxON位來接通或斷開上拉電流。如果用某一輸出來驅(qū)動(dòng)LED，則應(yīng)將OpLxON位設(shè)為“低”，即切斷上拉電流，因?yàn)橥ㄟ^上拉電流施加偏壓時(shí)，這些LED可能在關(guān)閉狀態(tài)下發(fā)光。

圖12 關(guān)閉狀態(tài)設(shè)計(jì)中的開啟負(fù)載

　　結(jié)語(yǔ)

　　TLE8201是一種用于車門模塊的高度集成ASSP。適用于驅(qū)動(dòng)典型前車門應(yīng)用中的所有負(fù)載，即中央門鎖、死鎖或后視鏡折疊、后視鏡定位、后視鏡除霜以及5W或10W車燈等。TLE8201提供多種保護(hù)方法和診斷功能，使其成為車門控制模塊中一種既靈活又可靠的設(shè)備。