Atmel半導(dǎo)體方案：如何實(shí)現(xiàn)汽車雨刷系統(tǒng)

　　在目前已有的前端雙雨刷系統(tǒng)中，左右雨刷器之間的同步用機(jī)械連接實(shí)現(xiàn)（圖1）。這很有必要，因?yàn)閾躏L(fēng)玻璃受污垢、風(fēng)及雨刷器的狀況不同的影響，使左右雨刷器的狀態(tài)不同。

　　多年來，汽車業(yè)一直在尋找一種能降低噪聲和機(jī)械連接空間要求的智能方案。

　　一種方案就是用電子解決方案替代機(jī)械連接（圖2）。在這種架構(gòu)中，每個(gè)雨刷器都由一直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流電機(jī)由可直接安裝在電機(jī)組件內(nèi)部的微控制器和驅(qū)動(dòng)IC來控制。用一接口處理左右雨刷器的同步問題，這樣，兩刷器之間就沒必要使用傳統(tǒng)雨刷系統(tǒng)那種機(jī)械連接，其噪聲大大減小，同時(shí)也節(jié)省了空間。

　　由于成本原因，雨刷系統(tǒng)使用直流電機(jī)。一種支持PWM和4個(gè)功率MOSFET控制方向驅(qū)動(dòng)的全H橋柵極驅(qū)動(dòng)器能控制這類電機(jī)。這種應(yīng)用的IC必須采用高電壓工藝設(shè)計(jì)，必須適合在苛刻的環(huán)境中使用。另外，如擋風(fēng)玻璃雨刷系統(tǒng)這樣的高容量直流電機(jī)應(yīng)用應(yīng)該采用優(yōu)化的通信接口。

　　因?yàn)橛晁㈦娮赢a(chǎn)品通常離汽車無線電設(shè)備很近，所以，必須控制EMC發(fā)射，汽車無線電的電子中斷會(huì)使汽車駕駛員難以忍受。可以用差分串行通信接口（SCI）收發(fā)器來減少這類輻射，改善EMC性能。SCI收發(fā)器是一種差分器件，對(duì)于僅有一個(gè)雨刷器的系統(tǒng)，它能以單端模式工作。這種柵極驅(qū)動(dòng)器具備的SCI功能使其與LIN設(shè)備很類似。不過，與標(biāo)準(zhǔn)LIN接口相比，數(shù)據(jù)傳輸率更快，高達(dá)100 k波特。

　　每個(gè)雨刷器模塊（圖3）都由一個(gè)微控制器、一個(gè)高度集成的柵極驅(qū)動(dòng)器和直流電機(jī)組成。由多個(gè)霍爾傳感器測(cè)量兩個(gè)雨刷器的位置。驅(qū)動(dòng)器通過雨刷器開關(guān)把命令送至微控制器。電子設(shè)備靠近雨刷器電機(jī)安裝，對(duì)空間要求不是很大。

　　ECU消耗電流要低這一要求的重要性不斷增長。為能夠保證待用IC的靜態(tài)電流低，要采用專用喚醒和休眠模式。雨刷器應(yīng)用的典型功能劃分見圖4示，由微控制器、微控制器供電穩(wěn)壓器以及其他如霍爾傳感器的分立元件組成。為安全起見，例如在雨中駕駛時(shí)，雨刷器損壞可能就很危險(xiǎn)，這就要求系統(tǒng)有一看門狗。

　　為進(jìn)一步防止系統(tǒng)出現(xiàn)故障，要求汽車IC具備很多功能，如過熱關(guān)閉、過壓和欠壓保護(hù)、以及防短路全保護(hù)，要滿足嚴(yán)格的汽車鑒定要求（防傳導(dǎo)干擾，EMC和ESD保護(hù)）。為解決這些問題，滿足以上要求，Atmel公司開發(fā)了ATA6026這一高度集成的柵極驅(qū)動(dòng)器IC。該柵極驅(qū)動(dòng)器IC包括一個(gè)5V/100mA穩(wěn)壓器加一個(gè)看門狗，對(duì)要求PCB面積較小的較小型設(shè)計(jì)，這就減少了外部元件數(shù)，這在機(jī)電方案中很關(guān)鍵。該IC進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，因此這一功能不需要在微控制器中增加任何存儲(chǔ)器?？撮T狗執(zhí)行窗口看門狗的功能，在窗口打開期間，由微控制器通過WD引腳從低電平向高電平轉(zhuǎn)化時(shí)觸發(fā)。如果看門狗檢測(cè)到窗口錯(cuò)誤，即在窗口打開時(shí)未觸發(fā)或者在窗口關(guān)閉時(shí)錯(cuò)誤觸發(fā)，將會(huì)產(chǎn)生復(fù)位脈沖。

　　圖5中的框圖給出了要實(shí)現(xiàn)的功能和典型應(yīng)用的原理圖。微控制器通過提供一PWM速度信號(hào)和一方向信號(hào)來控制IC的驅(qū)動(dòng)功能。因?yàn)樵撔酒仨汄?qū)動(dòng)外部H橋的柵極，所以包含有兩個(gè)推挽式驅(qū)動(dòng)器，用來控制兩個(gè)用作高端驅(qū)動(dòng)器的外部功率NMOS FET，另外還有兩個(gè)推挽式驅(qū)動(dòng)器，用來控制兩個(gè)用作低端驅(qū)動(dòng)器的外部功率NMOS FET。驅(qū)動(dòng)器可與標(biāo)準(zhǔn)或邏輯電平功率NMOS FET一起使用。高端控制驅(qū)動(dòng)器使用外部自舉電容器給柵極提供超過電池電壓8V～14V的電壓。也可以逆向控制電機(jī)。采用電荷泵給高端驅(qū)動(dòng)器的柵極供電，這樣在兩個(gè)方向上都可能達(dá)到100%的占空比。為防止H橋出現(xiàn)高峰值電流，采用非重疊相位實(shí)現(xiàn)外部功率NMOS晶體管的切換。交叉導(dǎo)通時(shí)間由外部RC組合決定。

　　Atmel 公司為全球性的業(yè)界領(lǐng)先企業(yè)，致力于設(shè)計(jì)和制造各類微控制器、電容式觸摸解決方案、先進(jìn)邏輯、混合信號(hào)、非易失性存儲(chǔ)器和射頻 （RF） 元件。憑借業(yè)界最廣泛的知識(shí)產(chǎn)權(quán) （IP） 技術(shù)組合之一，Atmel 為電子行業(yè)提供針對(duì)工業(yè)、消費(fèi)、安全、通信、計(jì)算和汽車市場的全面的系統(tǒng)解決方案。ATMEL在系統(tǒng)級(jí)集成方面所擁有的世界級(jí)專業(yè)知識(shí)和豐富的經(jīng)驗(yàn)使其產(chǎn)品可以在現(xiàn)有模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，保證最小的開發(fā)延期和風(fēng)險(xiǎn)。憑借業(yè)界最廣泛的知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）組合，Atmel提供電子系統(tǒng)完整的系統(tǒng)解決方案的廠商。Atmel公司的股票代碼為“ATML.O”在納斯達(dá)克股票市場上市。ATMEL公司是世界上高級(jí)半導(dǎo)體產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和行銷的領(lǐng)先者，產(chǎn)品包括了微處理器、可編程邏輯器件、非易失性存儲(chǔ)器、安全芯片、混合信號(hào)及RF射頻集成電路。通過這些核心技術(shù)的組合，ATMEL生產(chǎn)出了各種通用目的及特定應(yīng)用的系統(tǒng)級(jí)芯片，以滿足當(dāng)今電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師不斷增長和演進(jìn)的需求。通過分布于超過60個(gè)國家的生產(chǎn)、工程、銷售及分銷網(wǎng)絡(luò)，ATMEL承諾面向客戶，為北美、歐洲和亞洲的電子市場服務(wù)。確保及時(shí)介紹產(chǎn)品以及對(duì)客戶持續(xù)的支持已經(jīng)使ATMEL的產(chǎn)品成為最新電子產(chǎn)品的核心器件。這些產(chǎn)品進(jìn)而幫助最終用戶完成更多的工作，享受更多的便利并保持與外界的溝通，不論身在何處。ATMEL幫助客戶設(shè)計(jì)更小、更便宜、更多特性的產(chǎn)品來領(lǐng)導(dǎo)市場。2016年被美國芯片制造商微芯科技（Microchip Technology）宣布以36億美元收購。

　　內(nèi)部和外部電壓源采用低功率和低壓降片上穩(wěn)壓器。一個(gè)用作功率元件的外部晶體管有助于降低功耗。在待用期間，器件的休眠模式能保證靜態(tài)電流很低，通常為 35微安。對(duì)于6V～9V的電池電壓，穩(wěn)壓輸出為5V ± 10%;電池電壓超過9V時(shí)，穩(wěn)壓輸出為5V ± 3%。為防止外部NPN管和IC的損壞，用一感測(cè)電阻檢測(cè)穩(wěn)壓器輸出電流。萬一出現(xiàn)過電流，穩(wěn)壓器就將電流限制到指定的水平。也就是說，如果穩(wěn)壓器特性變?yōu)榉€(wěn)流器特性，則輸出電壓將擊穿。即使出現(xiàn)永久的導(dǎo)通狀態(tài)（100% PWM，自舉功能不存在了），全集成充電泵仍能給高端驅(qū)動(dòng)器的外部功率MOSFET的柵極供電。另外，用作反向電池保護(hù)的外部功率NMOS的柵極可由充電泵輸出供電。

　　前面已經(jīng)提到，ECU應(yīng)用要具備休眠功能以滿足低電流消耗的要求。在ATA6026的休眠模式下，可以使用引腳EN或數(shù)據(jù)喚醒IC。只有幾個(gè)模塊處于換醒狀態(tài)（帶隙、帶有100 nF外部隔直電容的內(nèi)部5V穩(wěn)壓器、檢測(cè)EN引腳閾值的輸入結(jié)構(gòu)和SCI接收部分的喚醒模塊）。上電缺省態(tài)為激活模式。為了在兩個(gè)模式間變化，采用3個(gè)步驟。除激活/不激活EN引腳外，還有通過使用SCI收發(fā)器實(shí)現(xiàn)的第二種喚醒方法。在休眠模式下，SCI收發(fā)器部分激活并在單端模式下工作。如果用SCI去激活，則EN引腳能保持低電平，而不干擾激活模式。

　　由于穩(wěn)壓器、運(yùn)動(dòng)控制、看門狗和通信接口都集成在采用小型QFN封裝的單芯片上，因此可降低系統(tǒng)總成本，同時(shí)對(duì)幾乎所有種類的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，無需適配，輸出級(jí)仍具有即插即用的靈活性。IC包含有運(yùn)動(dòng)控制部分，只是PWM速度信號(hào)和方向信息必須由微控制器提供。有兩個(gè)診斷引腳，使故障安全功能成為可能。