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1 車(chē)身控制模塊設計要求及安森美半導體解決方案 隨著(zhù)人們對汽車(chē)的操控性及舒適性需求不斷升高，汽車(chē)車(chē)身中的電子設備越來(lái)越多，如電動(dòng)后視鏡、中控門(mén)鎖、玻璃升降器、車(chē)燈乃至其它更多的高級功能等。 應用環(huán)境苛刻的車(chē)身控制模塊(BCM)對元器件提出了更高的要求。本文探入探討B(tài)CM設計在電源、車(chē)身網(wǎng)絡(luò )及板外大功率負載驅動(dòng)等多個(gè)方面的要求，并比較分析了一些領(lǐng)域中不同方案的優(yōu)劣勢。 安森美半導體針身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅方案供應商，針對車(chē)身控制模塊等汽車(chē)應用提供具有強固保護特性、高可靠性、低靜態(tài)電流的解決方案，如電源穩壓器、總線(xiàn)收發(fā)器、高頻收發(fā)器、繼電器驅動(dòng)器、預驅動(dòng)器、電機驅動(dòng)器、LED驅動(dòng)器及MOSFET等，幫助設計人員為他們的BCM設計選擇更佳的元器件方案，從而在市場(chǎng)上占據優(yōu)勢。 圖1：典型車(chē)身控制模塊(BCM)的系統架構。 2 電源要求及方案選擇 典型車(chē)身控制模塊(BCM)設計重要的一步是確定電源要求，以及選擇合適的電源方案。一般而言，BCM 要求的輸入電壓在-0.5 V 至32 V 之間，輸出電壓為5 V或3.3 V。值得一提的是，汽車(chē)內的用電設備越來(lái)越多，如果電池直接供電的設備靜態(tài)電流不夠低，而汽車(chē)連續停泊較長(cháng)時(shí)間，車(chē)內蓄電池可能因為過(guò)度放電而使汽車(chē)無(wú)法重新啟動(dòng)，故BCM 設計需要考慮靜態(tài)電流。此外，汽車(chē)應用中可能會(huì )常常面對高溫環(huán)境，所以要求電源提供過(guò)溫保護。 適合于BCM 的電源包括線(xiàn)性電源(或稱(chēng)線(xiàn)性穩壓器)和開(kāi)關(guān)電源(或稱(chēng)開(kāi)關(guān)穩壓器)。這兩種電源各有優(yōu)勢，究竟選擇何種電源，還要看具體應用。在車(chē)身控制模塊的供電電源方面，中國市場(chǎng)上所售汽車(chē)中，轎車(chē)一般采用12 V 電源，而卡車(chē)和客車(chē)一般采用24 V 電源。在12 V 電源BCM 中，推薦采用安森美半導體的線(xiàn)性穩壓器，如NCV4275A 等，見(jiàn)圖2。NCV4275A 是一款帶復位和延遲功能的5 V、3.3 V/450 mA 低壓降(LDO)線(xiàn)性穩壓器，這款器件支持可編程微控制器復位，并提供多種特性，如過(guò)流保護、過(guò)溫保護、短路保護等。此外，在下圖中位置1 處串聯(lián)一個(gè)二極管(MRA4005)，這線(xiàn)性電源能有效防止高達-42 V 的反向電壓；在位置2 處并聯(lián)一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)管，可以有效阻止高達+45 V的瞬態(tài)電源負載突降(load dump)高壓脈沖及不穩定的電源雜波，符合12 V 汽車(chē)電源系統的ISO16750-2-2003 4.6 過(guò)壓測試規范。實(shí)際上，在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)瞬間就可能出現負載突降，從而導致電池電壓升高至超過(guò)40 V。這些特性讓NCV4275A 非常適合汽車(chē)車(chē)身控制模塊應用。 實(shí)際上，NCV4275A 僅是安森美半導體針對汽車(chē)應用的寬范圍線(xiàn)性穩壓器中的一款，其它線(xiàn)性穩壓器有如NCV8664/5、NCV4949、NCV8503/4/5/6、NCV4274A等。超低靜態(tài)功耗的產(chǎn)品，靜態(tài)電流低至30 μA 以下，驅動(dòng)電流范圍在100 mA至450 mA 之間。 圖2：車(chē)身控制模塊中線(xiàn)性電源典型應用電路示意圖。 24 V 電源的BCM 應用中，需要將24 V 電壓轉換至5 V 或3.3 V，如果采用線(xiàn)性穩壓器，電源芯片本身就會(huì )有很高的功率消耗，產(chǎn)生大量熱量導致溫度過(guò)高而燒壞芯片，所以我們需要采用開(kāi)關(guān)穩壓器，我們推薦采用安森美半導體系列用于汽車(chē)的開(kāi)關(guān)穩壓器，如NCV51411、NCV8842、NCV8843、NCV33063、NCV33163、NCV3063、NCV3163、LM2576、LM2575 及NCV2574 等。這些開(kāi)關(guān)穩壓器具有較高的效率，避免產(chǎn)生大量的放熱，保護芯片，提升系統可靠性。這些汽車(chē)應用的開(kāi)關(guān)穩壓器驅動(dòng)電流多數在0.5 A 至1.5 A 之間，有的達到2.5(NCV33163)，開(kāi)關(guān)頻率在50 kHz 至300 kHz 之間。以NCV51441 為例，這款器件使用V2 控制架構，提供無(wú)可比擬的瞬態(tài)響應、極佳總體穩壓精度及最簡(jiǎn)單的環(huán)路補償。這款器件上的“BOOST”引腳支持“充當啟動(dòng)電路(Bootstrapped)”工作，將能效提升至最高；集成的同步電路支持并行電源工作或將噪聲降至最低。 3 車(chē)身網(wǎng)絡(luò )要求及發(fā)展趨勢 可以應用于汽車(chē)中的系統總線(xiàn)有多種，如控制器區域網(wǎng)絡(luò )(CAN)、本地互連網(wǎng)絡(luò )(LIN)及FelxRay 等。這些總線(xiàn)的特點(diǎn)各不相同，表1 比較了汽車(chē)應用中幾種常見(jiàn)的系統總線(xiàn)，并列出了典型的安森美半導體總線(xiàn)收發(fā)器產(chǎn)品。 表1：不同汽車(chē)總線(xiàn)比較及典型收發(fā)器。 安森美半導體的總線(xiàn)收發(fā)器系列非常適合車(chē)身控制網(wǎng)絡(luò )應用要求。圖3a)及b)分別顯示了基于安森美半導體CAN 收發(fā)器AMIS-42665 及LIN 收發(fā)器NCV7321 的典型電路。值得一提的是，AMIS-42665 提供小于的10 μA 的極低靜態(tài)電流。支持總線(xiàn)喚醒，共模電壓范圍-35 V 至+35 V，可以承受額定+/-8 kV 的靜電放電(ESD)脈沖。NCV7321則支持-45 V 至+45 V的電壓范圍，承受額定5 kV 的ESD 脈沖。這些器件均提供強大的保護功能。 圖3：基于安森美半導體收發(fā)器的典型CAN 電路(圖a)及LIN 電路(圖b)。 在車(chē)身控制網(wǎng)絡(luò )應用中，需要盡可能地配合降低成本及空間要求，同時(shí)提升系統的穩定性和長(cháng)期可靠性，故需要提升元器件的集成度。得益于近年來(lái)出現的混合信號工藝，如安森美半導體的Smart Power 高壓BCD 工藝，高壓模擬電路如今能夠與低壓電路集成起來(lái)，使更高集成度的系統芯片得以開(kāi)發(fā)和應用。如安森美半導體的NCV7440 在同一顆芯片上集成了線(xiàn)性穩壓器及CAN 收發(fā)器， NCV7420 則集成了線(xiàn)性穩壓器及LIN 收發(fā)器。這樣的集成有效節省PCB 板空間，可以給MCU 單獨供電，有效遏制其它模塊對MCU 電源的干擾。 安森美半導體身為全球領(lǐng)先的高性能、高可靠性硅解決方案供應商，更為汽車(chē)車(chē)身控制網(wǎng)絡(luò )應用推出一款超高集成度的芯片——NCV7462。這款芯片集成了線(xiàn)性穩壓器、CAN 收發(fā)器、LIN 收發(fā)器、看門(mén)狗(WD)電路、低邊驅動(dòng)及高邊驅動(dòng)，將所需外部元件數量減至極少，僅占用極小的電路板空間，并幫助簡(jiǎn)化設計流程。 3.1 遙控上鎖及開(kāi)鎖設計要求及解決方案 汽車(chē)中的遙控上鎖及開(kāi)鎖的應用越來(lái)越普及。車(chē)身控制模塊使用315 MHz(美國、日本)或433MHz(歐洲)頻率，通過(guò)高頻接收和發(fā)送來(lái)實(shí)現遙控上鎖及開(kāi)鎖功能。這類(lèi)應用中的設計難點(diǎn)在于設計阻抗匹配電路，從而使功率損耗降至最低。此類(lèi)應用的通用要求包括低靜態(tài)電流、提供睡眠模式、低發(fā)射功率、高接收靈敏度、低功耗及適宜的頻率范圍等。而安森美半導體的ON-53480 高頻收發(fā)器很好地滿(mǎn)足這些設計要求，如靜態(tài)電流低至小于1 μA，帶有喚醒及睡眠檢測功能，信號電平僅為10 dBm，接收靈敏度更是低于-100 dBm，且工作電流僅為10 mA，頻率范圍為280 至343 MHz。 3.2 板外大功率負載驅動(dòng)及方案比較 車(chē)身控制模塊電路板需要為板外的一些大功率負載供電，這些負載包括汽車(chē)內部照明(5 W 及10 W)、單向電機和汽車(chē)喇叭等。一種可選的方案是采用板內繼電器。繼電器的線(xiàn)圈屬于感性負載，而感性負載在啟動(dòng)時(shí)需要比維持正常工作所需電流大的啟動(dòng)電流，且感性負載在接通電源或斷開(kāi)電源的瞬間會(huì )產(chǎn)生反向電動(dòng)勢。要驅動(dòng)繼電器，可以采用安森美半導體的NUD3124、NUD3160 或NCV7608 等繼電器驅動(dòng)器。 表2：板外大功率負載驅動(dòng)方案優(yōu)缺點(diǎn)比較 另一種方案是采用“預驅動(dòng)器+MOSFET”來(lái)驅動(dòng)板外大功率負載，其中預驅動(dòng)器可以采用安森美半導體的NCV7513A，這器件支持并行端口及SPI 端口通信，可編程，提供失效模式檢測及短路和斷路診斷功能。 第三種方案是采用SmartFET 驅動(dòng)。這是帶保護的MOSFET，在MOSFET 基礎上增加了多種功能，如過(guò)壓鉗位、ESD 保護、過(guò)流保護、過(guò)溫保護、反壓保護及高邊和低邊驅動(dòng)。典型器件如低邊驅動(dòng)的NCV8401/2/3，及用于高邊驅動(dòng)(內部集成了升壓電路)的NCV8450 和NCV8460 等。這三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。 4 應用于BCM的其它方案 除了上述板外大功率負載，汽車(chē)應用中常見(jiàn)的電動(dòng)后視鏡方面，可以采用安森美半導體的NCV7703 來(lái)驅動(dòng)其中的轉向電機。這器件提供3 個(gè)半橋輸出，輸出電流為0.6 A，最高達1 A，并具備自診斷功能，提供低靜態(tài)電流、SPI 通信及低壓/過(guò)壓/過(guò)溫保護等特性。 此外，車(chē)身控制模塊需要采集車(chē)門(mén)、車(chē)鎖、組合開(kāi)關(guān)等數十個(gè)信號，往往需要擴展MCU 的輸入端口，這就需要并行端口轉串行端口的邏輯轉換芯片，常用的是安森美半導體的8 位移位寄存器MC14021B。 安森美半導體還為組合尾燈提供不同的解決方案。如NCV7680 是一款8 通道低邊恒流驅動(dòng)器，能以脈寬調制(PWM)方式設定尾部行車(chē)/剎車(chē)電流輸出，而NSI45xx 則是新推出的恒流線(xiàn)性穩壓器(CCR)，基于安森美半導體待批專(zhuān)利的自偏置晶體管技術(shù)，以低成本、強固等特點(diǎn)提供較高性能，著(zhù)眼于替代一些汽車(chē)尾燈中使用的電阻型驅動(dòng)器。 5 總結 應用環(huán)境苛刻的車(chē)身控制模塊(BCM)對元器件提出了更高的要求。本文探入探討B(tài)CM 設計在電源、車(chē)身網(wǎng)絡(luò )及板外大功率負載驅動(dòng)等多個(gè)方面的要求，并比較分析了一些領(lǐng)域中不同方案的優(yōu)劣勢。安森美半導體針身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅方案供應商，針對車(chē)身控制模塊等汽車(chē)應用提供具有強固保護特性、高可靠性、低靜態(tài)電流的解決方案，如電源穩壓器、總線(xiàn)收發(fā)器、高頻收發(fā)器、繼電器驅動(dòng)器、預驅動(dòng)器、電機驅動(dòng)器、LED 驅動(dòng)器及MOSFET 等，幫助設計人員為他們的BCM 設計選擇更佳的元器件方案，從而在市場(chǎng)上占據優(yōu)勢。 |
