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车门模块的驱动策略 |
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作者：英飞凌科技 Chen Qi, Jean-Philippe Boeschlin |
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过去十年里，汽车电子有了飞速的发展。许多曾用电机实现的功能已被转换成电子模块。最好的例子是车门装置。由电子控制单元(ECU)控制和驱动的电动车窗、电动后视镜和门锁几乎成了所有新车的标准配置。
从广义上看，电子车门系统有两种不同的架构。第一种是集总式系统，通常它有一个中心模块控制和驱动所有车门中的每个负载。第二种是分布式系统，其车门功能是在多个ECU中实现的。
虽然集总式架构由于成本较低而仍在某些车型中使用，但正被逐步淘汰，原因是：1)中心模块方法要求大量的直连布线，从而增加了重量、布线成本和电缆短路的风险；2)单个模块功能有限，无法嵌入全部需要的功能，如全面保护、诊断和通信接口；3)大尺寸的模块还难以装配。这些缺点导致了电子车门的系统架构迅速向分布式方向发展。
目前用于连接分布式ECU模块的标准汽车协议有两种，分别是CAN和LIN。可以用不同的方式通过CAN/LIN接口实现一些主要的车门功能。其中最流行的是“车门区域模块”或简称为“车门模块”的方法。在这种方法中，如门锁、后视镜、车窗提升器和辅助照明等一些主要的车门功能模块都由单独的ECU控制和驱动。
车门模块中的负载特性和功能千差万别。系统设计师面临的挑战是如何高效地驱动所有负载并且同时满足设计规范要求和成本目标。
作为全球领先的汽车半导体元器件供应商，英飞凌科技提供了全系列的产品，可以针对车门模块的不同负载实现不同的驱动策略。本文将介绍这些负载的特性以及相应的驱动策略。
系统划分和车门模块的主要负载
车门模块通常由三大主要功能模块组成：1)微控制器；2)包括电源、CAN/LAN通信以及执行外部事件监视和信号探测的电路在内的系统基本功能模块；3)与外部负载相接的驱动器和功率电路。车门模块的典型系统划分如图1所示。
车门模块的负载类型包括直流电机、灯、LED和加热线圈。图1也给出了它们的一些特性。为了高效地驱动这些不同功能和类型的负载，需要不同的驱动策略。
图1： 系统划分和负载特性
大型负载驱动策略：继电器还是智能器件？
对升窗电机等大型负载来说，通常有两种不同的驱动方法：第一种是基于继电器的方法，第二种是使用半导体器件。
至今采用继电器的策略仍在被广泛使用，主要原因是硬件成本较低、技术成熟并且能很好地处理大电流。然而，该策略也有许多缺点为人们所知：
1．继电器解决方案需要较多的外部元件组成基本电路，如保险丝、前置驱动器(一般是一对达林顿管)和飞轮二极管；
2．继电器不能为自身和整机提供任何保护；
3．继电器自己没有任何诊断功能。它需要分流电阻和运放等外部器件才能实现电流监测；
4．继电器解决方案无法实现PWM控制；
5．通常继电器本身体积比较大，需要保险丝盒；
6．作为一种移动部件，继电器的机械可靠性较低；
7．当要求开关次数较多(如转向灯应用)时，继电器的电子寿命很有限；
8．保险丝和继电器解决方案发热比较大，因为继电器线圈和触点以及保险丝本身和分流电阻都有较大的功率损失。
智能开关和桥的出现为解决以上问题打开了大门。一些新的器件，如英飞凌的NovalithIC，可以为大电流电机驱动设计提供合适的解决方案。
BTS7960是NovalithIC全集成大电流半桥系列产品中的第一位成员，它在一个TO-263封装中包含了三个独立的芯片：一个p沟道MOSFET作为其高侧基片，一个n沟道MOSFET作为其低侧基片，还有一个驱动器芯片。这三个芯片利用芯片堆叠(chip-on-chip)和芯片相邻(chip-by-chip)技术安装在一个共同的引线框架(lead-frame)内。
BTS7960的路径RDS(ON)在25℃时为17毫欧，其p沟道和n沟道MOSFET采用不同的工艺制造，从而保证了高侧和低侧开关的快速开闭，还可避免出现交叉电流。这种设计有别于使用电荷泵、最大开关频率有限的大多数桥，因此有助于实现高频PWM控制方案和一些新的功能，如“软”开/关窗户，并具有很好的EMI性能。
驱动器IC直接与微控制器相连，可执行全面的保护和诊断功能。保护功能包括限流、欠压/过压闭锁、过温和完全短路保护。诊断功能包括故障状态标志和电流监测，后者在实现防夹断策略时通常是必需的。一些特殊功能如集成的空载时间产生也被集成在里面以辅助直流电机驱动。
因此BTS7960是车门模块中带保护的大电流电机驱动应用中继电器方案的极佳替代品。用BTS7960驱动升窗电机等大型负载的典型应用电路如图2所示。
图2： BTS7960的一个典型应用电路
小型负载驱动策略：ASSP还是标准芯片？
一般来说有两种方法驱动小型负载，如后视镜电机、灯、LED、后视镜加热线圈甚至锁门电机。第一种方法是使用专用的功率ASSP，第二种方法是使用分立的标准器件。
各种要求的汇总以及降低系统成本的强烈需求使得平台概念在车门模块这样的应用领域中越来越流行。为了满足这种需要，高度集成的功率ASSP十分理想。这种器件提供的优秀解决方案不仅能节省PCB面积和贴装设备成本，还能提高系统质量和良品率。同时，其巨大的产量也能有效地降低单元成本，进一步促进这种ASSP开发，并使它们成功商用化。另外，先进的半导体技术保证了ASSP能以可靠和高性价比的方式进行开发和制造。TLE8201R就是这样一款用于车门模块应用的功率ASSP。
TLE8201R包含用于驱动典型的前门系统中较小负载所必需的功率电路，这些负载包括门锁、后视镜折叠和调节电机、后视镜加热和4个5W的灯(如转向灯、安全灯、后视镜灯或控制面板照明灯)。TLE8201R是采用英飞凌公司最新SPT6技术制造的单片集成电路，该技术融合了混合技术与先进的大功率镀铜和侧面DMOS工艺。这种技术有较低的导通电阻、更高的电流容量和更强的可重复钳位鲁棒性。
TLE8201R的另外一个重要特性是嵌入式标准串行外设接口(SPI)。SPI不仅可以节省微控制器的I/O管脚数量，而且能够灵活控制功率电路，通过错误标志快速进行详细的故障诊断。这种诊断功能包括对每个单独通道进行过载或负载开路检测，对整个器件进行温度预警及电流检测输出。还有各种保护功能，如短路和过温保护。两个直接PWM通道可以用来实现诸如“软”启动/停止后视镜加热、车内照明的剧院灯光效果或在控制面板背光灯应用中补偿LED亮度等级等功能。采用的DSO-36封装包含了具有较低热阻的全尺寸散热片，可确保模块在正常条件甚至最坏环境下正常工作。图3是采用TLE8201R的一个车门模块设计例子。
图3： 采用TLE8201R的一个完整车门模块的框图
与车门模块专用功率ASSP相比，多个标准芯片解决方案在系统配置中更加灵活，特别是在一些负载(如后视镜折叠)不需要时。设计师可以更自由地选择完全匹配每个负载特性的各个驱动器。这些驱动器可以是基于继电器的器件或智能器件。
针对与后视镜相关的电机应用，象TLE6208-3G这样的器件可以提供高性价比的解决方案。它是一种具有全面保护功能并带SPI的三组半桥驱动器，采用小型SO-14封装。由于半桥有三个可能状态(高、低和三态)，因此两个后视镜位置调节电机可以用级联配置方式连接到这三个半桥的输出。电机半桥的三态功能可以节省一个完整的半桥驱动器。正转、反转、刹车和高阻等操作模式可以由SPI接口进行控制。来自桥臂的诊断信息也可以通过SPI反馈输出。用两个TLE6208-3实现后视镜电机驱动的例子如图4所示。
图4： 采用TLE6208-3的后视镜电机驱动的例子
与升窗电机相比，门锁电机在尺寸和电流上都要小得多。英飞凌的BTS7741可以完全满足设计要求，是继电器解决方案的理想替代方案。
BTS7741是TrilithIC系列中的一员，在一个封装中包含三个裸片，即在SO-28封装中包含一个双刀高侧开关和两个低侧开关。高侧开关受到全面保护，并包含控制和诊断电路。低侧开关也受到全面保护。另外，该器件在断电模式下具有负载开路检测功能。
TrilithIC产品系列给用户提供了更多的选择，他们可以选出真正符合技术和预算要求的合适器件。例如，如果不需要负载开路检测功能，可以选用BTS7740。如果低侧开关保护功能不那么严格，可以考虑BTS7700。
车门模块中的后视镜加热线圈和灯可以用智能高侧开关进行开关。英飞凌PROFET系列中的一些器件，如BSP772T就非常适合这种应用场合。
PROFET器件包含垂直结构的n沟道功率晶体管、用于高端操作的电荷泵以及执行各种保护和诊断功能的逻辑电路。其PWM功能可以用来实现后视镜加热器的“软”启动/停止或灯光控制中的特殊效果等功能。
图5是车门模块的一个例子，其中用半导体器件驱动升窗电机，用分立的标准器件驱动其它小型负载。 
图5： 采用分立器件的一个完整车门模块框图
本文小结
从数毫安的LED到30A左右的升窗电机，一个典型车门模块ECU控制下的不同负载需要不同的驱动策略。象升窗电机这样的大型负载可以用继电器和保险丝解决方案驱动，但更好的解决方案是采用BTS7960这样的智能半导体器件，除了开关功能外，它还能提供更多保护功能以及无损电流监测。集成了各种车门负载驱动器的ASSP(如TLE8201R)是实现非常紧凑的PCB的理想器件。对于只有少量负载的基本型车门模块来说，分立的智能器件方案是在成本优化和处理不同要求的灵活性之间最佳的折衷方案。 (end)
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(投稿)
(5/10/2007) |
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