過去十年里，汽車電子有了飛速的發(fā)展。許多曾用電機實現(xiàn)的功能已被轉(zhuǎn)換成電子模塊。最好的例子是車門裝置。由電子控制單元(ECU)控制和驅(qū)動的電動車窗、電動后視鏡和門鎖幾乎成了所有新車的標(biāo)準(zhǔn)配置。
從廣義上看，電子車門系統(tǒng)有兩種不同的架構(gòu)。第一種是集總式系統(tǒng)，通常它有一個中心模塊控制和驅(qū)動所有車門中的每個負載。第二種是分布式系統(tǒng)，其車門功能是在多個ECU中實現(xiàn)的。
雖然集總式架構(gòu)由于成本較低而仍在某些車型中使用，但正被逐步淘汰，原因是：1)中心模塊方法要求大量的直連布線，從而增加了重量、布線成本和電纜短路的風(fēng)險；2)單個模塊功能有限，無法嵌入全部需要的功能，如全面保護、診斷和通信接口；3)大尺寸的模塊還難以裝配。這些缺點導(dǎo)致了電子車門的系統(tǒng)架構(gòu)迅速向分布式方向發(fā)展。
目前用于連接分布式ECU模塊的標(biāo)準(zhǔn)汽車協(xié)議有兩種，分別是CAN和LIN?？梢杂貌煌姆绞酵ㄟ^CAN/LIN接口實現(xiàn)一些主要的車門功能。其中最流行的是“車門區(qū)域模塊”或簡稱為“車門模塊”的方法。在這種方法中，如門鎖、后視鏡、車窗提升器和輔助照明等一些主要的車門功能模塊都由單獨的ECU控制和驅(qū)動。
車門模塊中的負載特性和功能千差萬別。系統(tǒng)設(shè)計師面臨的挑戰(zhàn)是如何高效地驅(qū)動所有負載并且同時滿足設(shè)計規(guī)范要求和成本目標(biāo)。
作為全球領(lǐng)先的汽車半導(dǎo)體元器件供應(yīng)商，英飛凌科技提供了全系列的產(chǎn)品，可以針對車門模塊的不同負載實現(xiàn)不同的驅(qū)動策略。本文將介紹這些負載的特性以及相應(yīng)的驅(qū)動策略。
系統(tǒng)劃分和車門模塊的主要負載
車門模塊通常由三大主要功能模塊組成：1)微控制器；2)包括電源、CAN/LAN通信以及執(zhí)行外部事件監(jiān)視和信號探測的電路在內(nèi)的系統(tǒng)基本功能模塊；3)與外部負載相接的驅(qū)動器和功率電路。車門模塊的典型系統(tǒng)劃分如圖1所示。
車門模塊的負載類型包括直流電機、燈、LED和加熱線圈。圖1也給出了它們的一些特性。為了高效地驅(qū)動這些不同功能和類型的負載，需要不同的驅(qū)動策略。
圖1： 系統(tǒng)劃分和負載特性。
大型負載驅(qū)動策略：繼電器還是智能器件？
對升窗電機等大型負載來說，通常有兩種不同的驅(qū)動方法：第一種是基于繼電器的方法，第二種是使用半導(dǎo)體器件。
至今采用繼電器的策略仍在被廣泛使用，主要原因是硬件成本較低、技術(shù)成熟并且能很好地處理大電流。然而，該策略也有許多缺點為人們所知：
1．繼電器解決方案需要較多的外部元件組成基本電路，如保險絲、前置驅(qū)動器(一般是一對達林頓管)和飛輪二極管；
2．繼電器不能為自身和整機提供任何保護；
3．繼電器自己沒有任何診斷功能。它需要分流電阻和運放等外部器件才能實現(xiàn)電流監(jiān)測；
4．繼電器解決方案無法實現(xiàn)PWM控制；
5．通常繼電器本身體積比較大，需要保險絲盒；
6．作為一種移動部件，繼電器的機械可靠性較低；
7．當(dāng)要求開關(guān)次數(shù)較多(如轉(zhuǎn)向燈應(yīng)用)時，繼電器的電子壽命很有限；
8．保險絲和繼電器解決方案發(fā)熱比較大，因為繼電器線圈和觸點以及保險絲本身和分流電阻都有較大的功率損失。
智能開關(guān)和橋的出現(xiàn)為解決以上問題打開了大門。一些新的器件，如英飛凌的NovalithIC，可以為大電流電機驅(qū)動設(shè)計提供合適的解決方案。
BTS7960是NovalithIC全集成大電流半橋系列產(chǎn)品中的第一位成員，它在一個TO-263封裝中包含了三個獨立的芯片：一個p溝道MOSFET作為其高側(cè)基片，一個n溝道MOSFET作為其低側(cè)基片，還有一個驅(qū)動器芯片。這三個芯片利用芯片堆疊(chip-on-chip)和芯片相鄰(chip-by-chip)技術(shù)安裝在一個共同的引線框架(lead-frame)內(nèi)。
BTS7960的路徑RDS(ON)在25℃時為17毫歐，其p溝道和n溝道MOSFET采用不同的工藝制造，從而保證了高側(cè)和低側(cè)開關(guān)的快速開閉，還可避免出現(xiàn)交叉電流。這種設(shè)計有別于使用電荷泵、最大開關(guān)頻率有限的大多數(shù)橋，因此有助于實現(xiàn)高頻PWM控制方案和一些新的功能，如“軟”開/關(guān)窗戶，并具有很好的EMI性能。
驅(qū)動器IC直接與微控制器相連，可執(zhí)行全面的保護和診斷功能。保護功能包括限流、欠壓/過壓閉鎖、過溫和完全短路保護。診斷功能包括故障狀態(tài)標(biāo)志和電流監(jiān)測，后者在實現(xiàn)防夾斷策略時通常是必需的。一些特殊功能如集成的空載時間產(chǎn)生也被集成在里面以輔助直流電機驅(qū)動。
因此BTS7960是車門模塊中帶保護的大電流電機驅(qū)動應(yīng)用中繼電器方案的極佳替代品。用BTS7960驅(qū)動升窗電機等大型負載的典型應(yīng)用電路如圖2所示。
圖2： BTS7960的一個典型應(yīng)用電路。
小型負載驅(qū)動策略：ASSP還是標(biāo)準(zhǔn)芯片？
一般來說有兩種方法驅(qū)動小型負載，如后視鏡電機、燈、LED、后視鏡加熱線圈甚至鎖門電機。第一種方法是使用專用的功率ASSP，第二種方法是使用分立的標(biāo)準(zhǔn)器件。
各種要求的匯總以及降低系統(tǒng)成本的強烈需求使得平臺概念在車門模塊這樣的應(yīng)用領(lǐng)域中越來越流行。為了滿足這種需要，高度集成的功率ASSP十分理想。這種器件提供的優(yōu)秀解決方案不僅能節(jié)省PCB面積和貼裝設(shè)備成本，還能提高系統(tǒng)質(zhì)量和良品率。同時，其巨大的產(chǎn)量也能有效地降低單元成本，進一步促進這種ASSP開發(fā)，并使它們成功商用化。另外，先進的半導(dǎo)體技術(shù)保證了ASSP能以可靠和高性價比的方式進行開發(fā)和制造。TLE8201R就是這樣一款用于車門模塊應(yīng)用的功率ASSP。
TLE8201R包含用于驅(qū)動典型的前門系統(tǒng)中較小負載所必需的功率電路，這些負載包括門鎖、后視鏡折疊和調(diào)節(jié)電機、后視鏡加熱和4個5W的燈(如轉(zhuǎn)向燈、安全燈、后視鏡燈或控制面板照明燈)。TLE8201R是采用英飛凌公司最新SPT6技術(shù)制造的單片集成電路，該技術(shù)融合了混合技術(shù)與先進的大功率鍍銅和側(cè)面DMOS工藝。這種技術(shù)有較低的導(dǎo)通電阻、更高的電流容量和更強的可重復(fù)鉗位魯棒性。
TLE8201R的另外一個重要特性是嵌入式標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口(SPI)。SPI不僅可以節(jié)省微控制器的I/O管腳數(shù)量，而且能夠靈活控制功率電路，通過錯誤標(biāo)志快速進行詳細的故障診斷。這種診斷功能包括對每個單獨通道進行過載或負載開路檢測，對整個器件進行溫度預(yù)警及電流檢測輸出。還有各種保護功能，如短路和過溫保護。兩個直接PWM通道可以用來實現(xiàn)諸如“軟”啟動/停止后視鏡加熱、車內(nèi)照明的劇院燈光效果或在控制面板背光燈應(yīng)用中補償LED亮度等級等功能。采用的DSO-36封裝包含了具有較低熱阻的全尺寸散熱片，可確保模塊在正常條件甚至最壞環(huán)境下正常工作。圖3是采用TLE8201R的一個車門模塊設(shè)計例子。
圖3： 采用TLE8201R的一個完整車門模塊的框圖。
與車門模塊專用功率ASSP相比，多個標(biāo)準(zhǔn)芯片解決方案在系統(tǒng)配置中更加靈活，特別是在一些負載(如后視鏡折疊)不需要時。設(shè)計師可以更自由地選擇完全匹配每個負載特性的各個驅(qū)動器。這些驅(qū)動器可以是基于繼電器的器件或智能器件。
針對與后視鏡相關(guān)的電機應(yīng)用，象TLE6208-3G這樣的器件可以提供高性價比的解決方案。它是一種具有全面保護功能并帶SPI的三組半橋驅(qū)動器，采用小型SO-14封裝。由于半橋有三個可能狀態(tài)(高、低和三態(tài))，因此兩個后視鏡位置調(diào)節(jié)電機可以用級聯(lián)配置方式連接到這三個半橋的輸出。電機半橋的三態(tài)功能可以節(jié)省一個完整的半橋驅(qū)動器。正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車和高阻等操作模式可以由SPI接口進行控制。來自橋臂的診斷信息也可以通過SPI反饋輸出。用兩個TLE6208-3實現(xiàn)后視鏡電機驅(qū)動的例子如圖4所示。
圖4： 采用TLE6208-3的后視鏡電機驅(qū)動的例子。
與升窗電機相比，門鎖電機在尺寸和電流上都要小得多。英飛凌的BTS7741可以完全滿足設(shè)計要求，是繼電器解決方案的理想替代方案。
BTS7741是TrilithIC系列中的一員，在一個封裝中包含三個裸片，即在SO-28封裝中包含一個雙刀高側(cè)開關(guān)和兩個低側(cè)開關(guān)。高側(cè)開關(guān)受到全面保護，并包含控制和診斷電路。低側(cè)開關(guān)也受到全面保護。另外，該器件在斷電模式下具有負載開路檢測功能。
TrilithIC產(chǎn)品系列給用戶提供了更多的選擇，他們可以選出真正符合技術(shù)和預(yù)算要求的合適器件。例如，如果不需要負載開路檢測功能，可以選用BTS7740。如果低側(cè)開關(guān)保護功能不那么嚴格，可以考慮BTS7700。
車門模塊中的后視鏡加熱線圈和燈可以用智能高側(cè)開關(guān)進行開關(guān)。英飛凌PROFET系列中的一些器件，如BSP772T就非常適合這種應(yīng)用場合。
PROFET器件包含垂直結(jié)構(gòu)的n溝道功率晶體管、用于高端操作的電荷泵以及執(zhí)行各種保護和診斷功能的邏輯電路。其PWM功能可以用來實現(xiàn)后視鏡加熱器的“軟”啟動/停止或燈光控制中的特殊效果等功能。
圖5是車門模塊的一個例子，其中用半導(dǎo)體器件驅(qū)動升窗電機，用分立的標(biāo)準(zhǔn)器件驅(qū)動其它小型負載。
圖5： 采用分立器件的一個完整車門模塊框圖。
本文小結(jié)
從數(shù)毫安的LED到30A左右的升窗電機，一個典型車門模塊ECU控制下的不同負載需要不同的驅(qū)動策略。象升窗電機這樣的大型負載可以用繼電器和保險絲解決方案驅(qū)動，但更好的解決方案是采用BTS7960這樣的智能半導(dǎo)體器件，除了開關(guān)功能外，它還能提供更多保護功能以及無損電流監(jiān)測。集成了各種車門負載驅(qū)動器的ASSP(如TLE8201R)是實現(xiàn)非常緊湊的PCB的理想器件。對于只有少量負載的基本型車門模塊來說，分立的智能器件方案是在成本優(yōu)化和處理不同要求的靈活性之間最佳的折衷方案。
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