下一代車門區(qū)系統(tǒng)IC 將大力提高能效并推進(jìn)汽車電氣化

近年來，汽車電氣化是大勢所趨，汽車電氣化不只是引入純電動汽車，還是不斷地用電控技術(shù)取代傳統(tǒng)機(jī)械部件和機(jī)械繼電器，或者在某些情況下引入新的功能。

汽車大規(guī)模電氣化正在推動自動駕駛向更高級別發(fā)展，從中長期看，許多車輛可能被視為“無人駕駛出租車”。根據(jù)這一新的汽車駕駛概念，車門內(nèi)的所有功能都將實(shí)現(xiàn)自動化，例如，智能自動開門和防碰撞檢測。這些自動化系統(tǒng)將能檢測到行人或騎車人正在靠近汽車，并自動控制開門操作，以避免碰撞危險。未來車門內(nèi)還將裝先進(jìn)的傳感器，用于檢測車門外的障礙物，防止車門被撞壞。

大趨勢的產(chǎn)生離不開專用半導(dǎo)體芯片的鋪路。這些芯片需要跟隨先進(jìn)的電源管理概念，驅(qū)動從LED等毫瓦級的負(fù)載到瞬間耗散功率輕易達(dá)到200W的大功率直流電機(jī)。此外，汽車電子模塊還需要配備高度標(biāo)準(zhǔn)化的通信接口，例如，CAN和LIN物理層。

如何確定一個正確的系統(tǒng)架構(gòu)，以合理的成本實(shí)現(xiàn)新功能，且不會影響質(zhì)量和性能，是汽車廠商面臨的一大挑戰(zhàn)。隨著軟硬件開發(fā)成本和復(fù)雜性不斷提高，跟上OEM廠商的性能和功能要求變得越來越困難。此外，OEM廠商還要求部署有成本效益的可擴(kuò)展的解決方案，從低端車型擴(kuò)展到高端汽車，在不同平臺和車型上分?jǐn)傞_發(fā)成本。

車門區(qū)電控模塊(圖1)是一個大家熟悉的受益于可擴(kuò)展驅(qū)動方法的汽車系統(tǒng)，這個應(yīng)用概念是用一顆IC驅(qū)動車門區(qū)的多個負(fù)載(門鎖電機(jī)、可調(diào)可折疊后視鏡、除霜器、車窗升降電機(jī)和LED、白熾燈等照明功能)?？蓴U(kuò)展的驅(qū)動器，封裝和軟件全系兼容，適應(yīng)車門電控模塊的多樣化要求，是車門區(qū)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的典型特征。

圖1：

在過去10余年里，車用半導(dǎo)體廠商開發(fā)出了若干個車門執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動器芯片，并隨著汽車電氣負(fù)載數(shù)量不斷增加，給這些產(chǎn)品增加了新功能，對封裝以及芯片制造技術(shù)和IP內(nèi)核進(jìn)行了優(yōu)化。在車門區(qū)電子元器件中，除驅(qū)動芯片(圖2)外，還有一個電源管理IC，為電控單元提供更強(qiáng)的系統(tǒng)電源，包括各種待機(jī)模式和通信層(主要是LIN和/或HS CAN)。電源管理芯片通常集成兩個低壓差穩(wěn)壓器，為系統(tǒng)微控制器和外設(shè)負(fù)載(傳感器等外設(shè))供電，還包含增強(qiáng)型系統(tǒng)待機(jī)功能，以及可設(shè)置的本地和遠(yuǎn)程喚醒功能。

圖2：

車門執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動器和電源管理芯片都采用意法半導(dǎo)體為此應(yīng)用專門優(yōu)化的BCD (Bipolar、CMOS和 DMOS) 半導(dǎo)體制造技術(shù)。車門執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動器芯片采用0.7μm BCD技術(shù)，電源管理芯片采用0.57μm BCD技術(shù)。

為順應(yīng)新的汽車技術(shù)發(fā)展趨勢，汽車半導(dǎo)體器件必須高效、安全地控制更多的電氣負(fù)載，最大限度地降低靜態(tài)電流，同時采用高集成度解決方案，減少元器件數(shù)量，縮減電路板空間，降低產(chǎn)品重量，從而大幅簡化設(shè)計(jì)。

意法半導(dǎo)體專有的先進(jìn)的0.16μm BCD8S是實(shí)現(xiàn)市場上獨(dú)一無二的高集成度單片解決方案(圖3)的關(guān)鍵技術(shù)，可滿足電源管理、故障保護(hù)和車門負(fù)載驅(qū)動等應(yīng)用的技術(shù)需求。這項(xiàng)技術(shù)還能提高能效和計(jì)算能力，將芯片的結(jié)溫提高到175°C，達(dá)到汽車OEM廠商嚴(yán)格規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)溫，破解單片集成電源管理和執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動器帶來的極具挑戰(zhàn)性的熱管理難題。

圖3：

意法半導(dǎo)體創(chuàng)新的L99DZ100G / GP前車門控制器芯片和L99DZ120后車門控制器芯片有助于設(shè)計(jì)人員節(jié)省空間，同時提高車門控制模塊的可靠性和能效。

以前的車門區(qū)ASSP (專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品)解決方案需要2個芯片：一個12mm×12mm(TQFP64)的車門執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動器和一個10mm x 10mm(PowerSSO-36)的電源管理芯片，而意法半導(dǎo)體的車門區(qū)控制單片解決方案只需一個封裝面積與TQFP64相同的LQFP64(圖4)，這對于PCB電路板小型化非常重要，能夠適應(yīng)更嚴(yán)格的空間要求。除了利用新的BCD技術(shù)縮減裸片尺寸外，還通過新的創(chuàng)新封裝結(jié)構(gòu)縮減封裝面積，在縮小車門系統(tǒng)IC的同時，提高輸出電流峰值和功率密度。

圖4：

全系產(chǎn)品軟件相互兼容，還有助于簡化開發(fā)，縮短產(chǎn)品市場時間。

意法半導(dǎo)體專有的BCD8S先進(jìn)汽車技術(shù)在實(shí)現(xiàn)這種單片解決方案中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。該解決方案具有多種功能，包括內(nèi)置半橋和高達(dá)7.5A的高邊驅(qū)動器，可滿足車門區(qū)應(yīng)用的新要求。該解決方案還集成高速CAN(HS-CAN)和LIN 2.2a接口(SAE J 2602)、控制模塊和保護(hù)電路。 除標(biāo)準(zhǔn)特性功能外，L99DZ100GP還支持ISO 11898-6 HS-CAN標(biāo)準(zhǔn)的選擇性喚醒，讓使用頻率不高的ECU進(jìn)入睡眠模式，同時保持與CAN總線的連接，最大限度地提高節(jié)能效果。

兩款前門控制器都集成了MOSFET半橋，可以驅(qū)動多達(dá)五個直流電機(jī)和一個外部H橋。此外，這兩款芯片還有八個LED驅(qū)動器和兩個白熾燈驅(qū)動器、一個后視鏡加熱器柵極驅(qū)動器和一個車窗電致變色玻璃控制模塊。其它特性包括外部電路(微控制器、傳感器等)穩(wěn)壓器，以及相關(guān)的定時器、看門狗、復(fù)位發(fā)生器和保護(hù)功能。后門控制器L99DZ120也具有類似的功能，例如，電動車窗升降電機(jī)驅(qū)動器。

為車輛配備更多電子系統(tǒng)和功能有助于增加汽車的賣點(diǎn)，但更多的電子配置也提高了功率要求。因此，必須準(zhǔn)確分析每個系統(tǒng)在各種工作條件下的功耗，尤其是純電動汽車，浪費(fèi)電力就等于縮短續(xù)航里程;電氣部件越多，泄漏電流越大，這是不可避免的。因此，所有汽車制造商都非?？粗仂o態(tài)電流和待機(jī)電流低的產(chǎn)品和/或技術(shù)。大多數(shù)ECU的最大待機(jī)電流預(yù)算為100μA，所以，客戶經(jīng)常說：“每個微安都很重要”。

因此，意法半導(dǎo)體在新車門區(qū)控制器芯片上集成一個有多種低靜態(tài)電流模式的先進(jìn)電源管理模塊(待機(jī)/睡眠、定期監(jiān)測、專用低電流模式LDO穩(wěn)壓器、定時器、接觸設(shè)備電源)。在VBAT待機(jī)模式下，靜態(tài)電流降至10μA以下，處于7μA-8μA區(qū)間內(nèi)，是雙片IC(車門區(qū)驅(qū)動IC+電源管理IC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的二分之一。對于車門應(yīng)用，在通過外部接觸設(shè)備監(jiān)測或通信接口(LIN、HS-CAN或支持選擇性喚醒的HS-CAN)物理層喚醒穩(wěn)壓器之前，控制器不給微控制器(MCU)供電。

意法半導(dǎo)體的新車門區(qū)控制器不僅在一個封裝內(nèi)整合了以前的車門區(qū)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動器芯片和電源管理芯片，還增加了一些新功能，以更好地服務(wù)新的汽車發(fā)展趨勢。

為支持自動LED占空比補(bǔ)償功能，意法半導(dǎo)體的新車門區(qū)控制器實(shí)現(xiàn)了一個新的IP模塊，內(nèi)部補(bǔ)償算法利用電源電壓測量值修正LED驅(qū)動器功率級的占空比，確保LED在ECU電源電壓波動時也能保持均勻的亮度。開發(fā)者可根據(jù)不同的負(fù)載靈活設(shè)置占空比補(bǔ)償功能，使用不同的LED以及串聯(lián)LED，從而節(jié)省外部微處理器的負(fù)荷，并最大限度地減少SPI的數(shù)據(jù)流量。

熱群集概念是新控制器的另一個新特性，發(fā)生短路等事件時，該特性可單獨(dú)禁用短路的輸出通道，其它輸出通道保持正常工作。

為了符合電動車窗安全操作的要求，新控制器還實(shí)現(xiàn)一個專用IP內(nèi)核，在發(fā)生系統(tǒng)錯誤時，能夠使車窗進(jìn)入安全狀態(tài)，避免車窗升降動作失控。根據(jù)安全要求，該IP內(nèi)核與芯片其余部分之間有一個深溝槽隔離層，這是BCD8s技術(shù)的另一個有價值的特性。自偏置方法使該IP模塊在電池沒電時仍能正常工作。

L99DZ100系列產(chǎn)品支持當(dāng)前最先進(jìn)的車門電子應(yīng)用，不過，隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，還將來還會涌現(xiàn)新的需求，例如，驅(qū)動更多的直流大功率電機(jī)。為此，意法半導(dǎo)體采用模塊化方法開發(fā)這些芯片，可在新配置內(nèi)整合更多的IP內(nèi)核，升級擴(kuò)展車門區(qū)控制系統(tǒng)。除車門應(yīng)用外，新系列產(chǎn)品還將被用于其它汽車系統(tǒng)，以最優(yōu)的方式驅(qū)動負(fù)載，例如，電動后備箱蓋模塊或天窗具有類似的系統(tǒng)要求。未來，專用ASSP也將進(jìn)入這一細(xì)分市場。

作者：G.Torrisi, F. Burkhardt and M. Gaertner