基于Atmel半導體方案的汽車雨刷系統(tǒng)的實現

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械連接實現(圖1)。這很有必要，因為擋風玻璃受污垢、風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械連接(圖2)。在這種架構中，每個雨刷器都由一直流電機驅動。直流電機由可直接安裝在電機組件內部的微控制器和驅動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)那種機械連接，其噪聲大大減小，同時也節(jié)省了空間。

由于成本原因，雨刷系統(tǒng)使用直流電機。一種支持PWM和4個功率MOSFET控制方向驅動的全H橋柵極驅動器能控制這類電機。這種應用的IC必須采用高電壓工藝設計，必須適合在苛刻的環(huán)境中使用。另外，如擋風玻璃雨刷系統(tǒng)這樣的高容量直流電機應用應該采用優(yōu)化的通信接口。

因為雨刷電子產品通常離汽車無線電設備很近，所以，必須控制EMC發(fā)射，汽車無線電的電子中斷會使汽車駕駛員難以忍受?？梢杂貌罘执型ㄐ沤涌?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，對于僅有一個雨刷器的系統(tǒng),它能以單端模式工作。這種柵極驅動器具備的SCI功能使其與LIN設備很類似。不過，與標準LIN接口相比，數據傳輸率更快，高達100 k波特。

每個雨刷器模塊(圖3)都由一個微控制器、一個高度集成的柵極驅動器和直流電機組成。由多個霍爾傳感器測量兩個雨刷器的位置。驅動器通過雨刷器開關把命令送至微控制器。電子設備靠近雨刷器電機安裝，對空間要求不是很大。

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，雨刷器損壞可能就很危險，這就要求系統(tǒng)有一看門狗。

為進一步防止系統(tǒng)出現故障，要求汽車IC具備很多功能，如過熱關閉、過壓和欠壓保護、以及防短路全保護，要滿足嚴格的汽車鑒定要求(防傳導干擾，EMC和ESD保護)。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動器IC。該柵極驅動器IC包括一個5V/100mA穩(wěn)壓器加一個看門狗，對要求PCB面積較小的較小型設計，這就減少了外部元件數，這在機電方案中很關鍵。該IC進行運動控制，因此這一功能不需要在微控制器中增加任何存儲器?？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化時觸發(fā)。如果看門狗檢測到窗口錯誤，即在窗口打開時未觸發(fā)或者在窗口關閉時錯誤觸發(fā)，將會產生復位脈沖。

圖5中的框圖給出了要實現的功能和典型應用的原理圖。微控制器通過提供一PWM速度信號和一方向信號來控制IC的驅動功能。因為該芯片必須驅動外部H橋的柵極，所以包含有兩個推挽式驅動器，用來控制兩個用作高端驅動器的外部功率NMOS FET，另外還有兩個推挽式驅動器，用來控制兩個用作低端驅動器的外部功率NMOS FET。驅動器可與標準或邏輯電平功率NMOS FET一起使用。高端控制驅動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。采用電荷泵給高端驅動器的柵極供電，這樣在兩個方向上都可能達到100%的占空比。為防止H橋出現高峰值電流，采用非重疊相位實現外部功率NMOS晶體管的切換。交叉導通時間由外部RC組合決定。

內部和外部電壓源采用低功率和低壓降片上穩(wěn)壓器。一個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。對于6V～9V的電池電壓，穩(wěn)壓輸出為5V ± 10%;電池電壓超過9V時，穩(wěn)壓輸出為5V ± 3%。為防止外部NPN管和IC的損壞，用一感測電阻檢測穩(wěn)壓器輸出電流。萬一出現過電流，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。即使出現永久的導通狀態(tài)(100% PWM，自舉功能不存在了)，全集成充電泵仍能給高端驅動器的外部功率MOSFET的柵極供電。另外，用作反向電池保護的外部功率NMOS的柵極可由充電泵輸出供電。

前面已經提到，ECU應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或數據喚醒IC。只有幾個模塊處于換醒狀態(tài)(帶隙、帶有100 nF外部隔直電容的內部5V穩(wěn)壓器、檢測EN引腳閾值的輸入結構和SCI接收部分的喚醒模塊)。上電缺省態(tài)為激活模式。為了在兩個模式間變化，采用3個步驟。除激活/不激活EN引腳外，還有通過使用SCI收發(fā)器實現的第二種喚醒方法。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、運動控制、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，同時對幾乎所有種類的電機驅動應用，無需適配，輸出級仍具有即插即用的靈活性。IC包含有運動控制部分，只是PWM速度信號和方向信息必須由微控制器提供。有兩個診斷引腳，使故障安全功能成為可能。