淺談英飛凌車門模塊的驅(qū)動策略

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?？梢杂貌煌姆绞酵ㄟ^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(jì)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(jì)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。

圖1： 系統(tǒng)劃分和負(fù)載特性。

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。

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.繼電器不能為自身和整機(jī)提供任何保護(hù);

2.繼電器解決方案無法實(shí)現(xiàn)PWM控制;

3.通常繼電器本身體積比較大，需要保險絲盒;

4.作為一種移動部件，繼電器的機(jī)械可靠性較低;

5.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;

6.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;

7.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;

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(jì)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(jì)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。

圖2： BTS7960的一個典型應(yīng)用電路。

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。

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。