過去十年里，汽車電子有了飛速的發(fā)展。許多曾用電機(jī)實(shí)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(fù)載。第二種是分布式系統(tǒng)，其車門功能是在多個ECU中實(shí)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(hù)、診斷和通信接口；3)大尺寸的模塊還難以裝配。這些缺點(diǎn)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。可以用不同的方式通過CAN/LIN接口實(shí)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(dú)的ECU控制和驅(qū)動。
車門模塊中的負(fù)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(fù)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(fù)載實(shí)現(xiàn)不同的驅(qū)動策略。本文將介紹這些負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)載類型包括直流電機(jī)、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(fù)載，需要不同的驅(qū)動策略。
圖1： 系統(tǒng)劃分和負(fù)載特性。
大型負(fù)載驅(qū)動策略：繼電器還是智能器件？
對升窗電機(jī)等大型負(fù)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(diǎn)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(dá)林頓管)和飛輪二極管；
2．繼電器不能為自身和整機(jī)提供任何保護(hù)；
3．繼電器自己沒有任何診斷功能。它需要分流電阻和運(yùn)放等外部器件才能實(shí)現(xiàn)電流監(jiān)測；
4．繼電器解決方案無法實(shí)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(jī)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?yàn)槔^電器線圈和觸點(diǎn)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(jī)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(dú)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(shí)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(hù)和診斷功能。保護(hù)功能包括限流、欠壓/過壓閉鎖、過溫和完全短路保護(hù)。診斷功能包括故障狀態(tài)標(biāo)志和電流監(jiān)測，后者在實(shí)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(jī)驅(qū)動。
因此BTS7960是車門模塊中帶保護(hù)的大電流電機(jī)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(jī)等大型負(fù)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(fù)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(fù)載，如后視鏡電機(jī)、燈、LED、后視鏡加熱線圈甚至鎖門電機(jī)。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(qiáng)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(jìn)一步促進(jìn)這種ASSP開發(fā)，并使它們成功商用化。另外，先進(jìn)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(jìn)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(fù)載所必需的功率電路，這些負(fù)載包括門鎖、后視鏡折疊和調(diào)節(jié)電機(jī)、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(jìn)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(qiáng)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(jìn)行詳細(xì)的故障診斷。這種診斷功能包括對每個單獨(dú)通道進(jìn)行過載或負(fù)載開路檢測，對整個器件進(jìn)行溫度預(yù)警及電流檢測輸出。還有各種保護(hù)功能，如短路和過溫保護(hù)。兩個直接PWM通道可以用來實(shí)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(bǔ)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(fù)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(fù)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(jī)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(hù)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(jī)可以用級聯(lián)配置方式連接到這三個半橋的輸出。電機(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)后視鏡電機(jī)驅(qū)動的例子如圖4所示。
圖4： 采用TLE6208-3的后視鏡電機(jī)驅(qū)動的例子。
與升窗電機(jī)相比，門鎖電機(jī)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(hù)，并包含控制和診斷電路。低側(cè)開關(guān)也受到全面保護(hù)。另外，該器件在斷電模式下具有負(fù)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(fù)載開路檢測功能，可以選用BTS7740。如果低側(cè)開關(guān)保護(hù)功能不那么嚴(yán)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(jìn)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(hù)和診斷功能的邏輯電路。其PWM功能可以用來實(shí)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(jī)，用分立的標(biāo)準(zhǔn)器件驅(qū)動其它小型負(fù)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(jī)，一個典型車門模塊ECU控制下的不同負(fù)載需要不同的驅(qū)動策略。象升窗電機(jī)這樣的大型負(fù)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(hù)功能以及無損電流監(jiān)測。集成了各種車門負(fù)載驅(qū)動器的ASSP(如TLE8201R)是實(shí)現(xiàn)非常緊湊的PCB的理想器件。對于只有少量負(fù)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。