優(yōu)化車門ECU功耗的新概念

在現(xiàn)代汽車中，電子控制單元（ECU）的數(shù)量不斷增長(zhǎng)?，F(xiàn)代電子零部件增加了許多功能可為駕駛員提供更多的信息和更舒適的環(huán)境，在極大地增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)效率的同時(shí)，也使汽車中的電子功耗更高。這個(gè)問題在汽車熄火時(shí)會(huì)比汽車正常工作時(shí)顯得更加嚴(yán)重。當(dāng)汽車熄火時(shí)，只有汽車蓄電池為ECU供電。為了最大限度地保持蓄電池的使用壽命，需要具有在汽車等待模式時(shí)段節(jié)約電力的措施。本文介紹了通常需要持續(xù)供電的車門模塊功耗的優(yōu)化策略。

在現(xiàn)代汽車中有多達(dá)70個(gè)ECU，從大的發(fā)動(dòng)機(jī)管理設(shè)備到微小的雨刷傳感器（Rain Sensor）控制設(shè)備。當(dāng)汽車處于非工作模式時(shí)，并不是所有的電子零部件都需要供電。但在汽車熄火或汽車落鎖期間，仍有許多模塊需要供電。例如，必須處理來自汽車鑰匙信號(hào)的車身中央控制器（BCU）或者必須反應(yīng)BCU指令以控制車門鎖的車門模塊。

由于汽車空蓄電池在使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重問題，所以大部分汽車原始設(shè)備制造商（OEM）將解決方法轉(zhuǎn)為對(duì)每個(gè)ECU運(yùn)行的等待電流消耗的要求。他們規(guī)定每個(gè)ECU的平均等待電流消耗小于300μA，其中許多原始設(shè)備制造商甚至還將這種電流消耗要求在100μA以下。這種電流預(yù)算必須根據(jù)不同ECU元件進(jìn)行區(qū)分。例如，車門模塊的主要元件是MCU和系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片，包括電壓調(diào)節(jié)器、通信總線的物理接口和看門狗，其任務(wù)是隨時(shí)找到不同設(shè)備之間的最佳功率分配。

根據(jù)車門模塊的功能不同，優(yōu)化任務(wù)的解決方案也有所不同。通常，車門模塊控制車窗升降、電子后視鏡、車門鎖和駕駛員發(fā)出指令的鍵區(qū)。此外，它還處理BCU的通信，并在很多情況下將信息傳遞給后車門模塊。當(dāng)汽車熄火時(shí)，車門模塊仍然必須接收鍵區(qū)輸入的指令，處理來自BCU的數(shù)據(jù)，使其通過CAN或LIN總線傳輸。為了管理這些任務(wù)，它必須定期進(jìn)入工作模式，以便讀取鍵區(qū)的狀態(tài)、觸發(fā)看門狗。根據(jù)結(jié)果，整個(gè)ECU必須進(jìn)入全工作模式或返回電流節(jié)約模式。

圖1詳細(xì)地說明了所有階段的不同電流。平均系統(tǒng)電流消耗IAverage是由循環(huán)時(shí)間Tsum、系統(tǒng)在工作模式中運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)短以及電流IRun和IStop各自的數(shù)值決定的?？傊?，車門模塊有兩種最大限度降低IAverage的主要方法。

方法1：關(guān)閉MCU電源。在這種情況下，系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片處理循環(huán)喚醒。它將打開MCU電源，讓MCU檢查上述任務(wù)，并讓MCU決定返回這種狀態(tài)或者停留在完全工作模式中。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)SBC消耗睡眠電流時(shí)，MCU的電源已經(jīng)完全關(guān)閉。弱點(diǎn)就是MCU必須定期喚醒，包括非常費(fèi)電的振蕩器的啟動(dòng)。而且，振動(dòng)器在啟動(dòng)階段對(duì)晶振的壓力特別大，會(huì)影響其使用壽命。

方法2：低功耗模式中的MCU。在該方法中，MCU進(jìn)入低功耗模式，但需要一直供電。MCU定期喚醒，執(zhí)行必要任務(wù)并相應(yīng)做出反應(yīng)。這種方法的弱點(diǎn)就是SBC和MCU仍然需要一直供電。其優(yōu)點(diǎn)是可以更快速地喚醒MCU，并根據(jù)MCU的功能，完全消除喚醒階段所用的時(shí)間。

除了降低電流IRun和IStop數(shù)值外，更重要的是最大程度地減少M(fèi)CU在全工作模式中運(yùn)行的時(shí)間TRun。該參數(shù)的主要組成部分是振蕩器啟動(dòng)時(shí)間Tos和穩(wěn)定性檢查時(shí)間Tosc。飛思卡爾S12X系列是專為停止模式之后的快速啟動(dòng)設(shè)計(jì)的，其獨(dú)特功能是幾乎可將Tosc和Tosc降低為零（實(shí)際約為50μs）。當(dāng)其他MCU必須使用外部晶振低頻率振蕩器來引發(fā)定期中斷時(shí)，S12X可以使用內(nèi)置RC振蕩器來引發(fā)API（自動(dòng)定期中斷）。使用S12X快速喚醒功能，可從內(nèi)部PLL振蕩器啟動(dòng)S12X，無需花費(fèi)數(shù)毫秒時(shí)間來啟動(dòng)基于外部晶振的振蕩器時(shí)鐘。因此，采用S12X的獨(dú)特功能，幾乎消除了MCU需要全工作電流期間的啟動(dòng)時(shí)間。使用這種方法，平均等待電流也大大降低。

為了證明采用這種方法能夠節(jié)約電源，對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)例進(jìn)行了評(píng)估。圖2顯示了普通系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片（SBC）系統(tǒng)電流和S12X 車門系統(tǒng)電流在不同喚醒方法和圖1中顯示的時(shí)間參數(shù)：

方法1：SBC定期喚醒MCU，MCU在Tstop期間不需要供電。

方法2(a)：MCU需要持續(xù)供電，快速喚醒啟動(dòng)。在這種情況下，MCU采用內(nèi)部PLL振蕩器啟動(dòng)。

方法2(b)：MCU需要持續(xù)供電，但快速喚醒關(guān)閉。在這種情況下，MCU采用晶體振蕩器啟動(dòng)。

可以很清晰地看到，方法2(b)的設(shè)置無論如何都需要最大電流，因此對(duì)于車門模式來說，它不是最好的解決方案。方法2(a)為Tsum提供了小于180ms的最低電流消耗。只要Tsum不大于180ms，關(guān)閉MCU電源執(zhí)行SBC定期喚醒的方法1將是最大程度降低功耗的最佳選擇。

對(duì)于車門模塊來說，MCU必須檢查狀態(tài)變化的時(shí)間Tsum(通常為20ms～60ms)，這也取決于實(shí)施情況。采用S12X的獨(dú)特API和快速喚醒功能，可以達(dá)到最小平均系統(tǒng)電流和電源節(jié)約最佳值，這不需要增加任何外部組件及降低性能或增加成本。因此，飛思卡爾S12X系列提供了將等待電流降至最小值的獨(dú)特功能。當(dāng)功耗成為汽車原始設(shè)備制造商的一種選擇標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，S12X系列就為消費(fèi)者提供了無需增加費(fèi)用就能在這個(gè)非常重要的方面（功耗）區(qū)分原始設(shè)備制造商的機(jī)會(huì)，并大大提高了原始設(shè)備制造商在上述應(yīng)用領(lǐng)域贏得商機(jī)的機(jī)會(huì)。

發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)的低電流消耗是持續(xù)供電的汽車ECU對(duì)原始設(shè)備制造商的重要要求。例如，車門模塊制造商正面臨著平均等待電源使用越來越苛刻的要求。本文說明了如何通過最大程度地降低電流功耗和MCU的喚醒時(shí)間來優(yōu)化平均系統(tǒng)電流的方法。S12X內(nèi)部RC-振蕩器可用于自動(dòng)定期中斷的計(jì)時(shí)，以便循環(huán)喚醒MCU。RC-振蕩器的功能與S12X快速喚醒功能一起使用，可為用戶提供保持車門模塊應(yīng)用最小功耗的最有效方法。