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。許多曾用電機實現(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載。第二種是分布式系統(tǒng)，其車門功能是在多個ECU中實現(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、診斷和通信接口;3)大尺寸的模塊還難以裝配。這些缺點導(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的ECU控制和驅(qū)動。

車門模塊中的負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載實現(xiàn)不同的驅(qū)動策略。本文將介紹這些負載的特性以及相應(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)劃分和負載特性。

車門模塊的負載類型包括直流電機、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載，需要不同的驅(qū)動策略。

大型負載驅(qū)動策略：繼電器還是智能器件?

對升窗電機等大型負載來說，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為人們所知：

1.繼電器不能為自身和整機提供任何保護;

2.繼電器解決方案無法實現(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放等外部器件才能實現(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，因為繼電器線圈和觸點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)行全面的保護和診斷功能。保護功能包括限流、欠壓/過壓閉鎖、過溫和完全短路保護。診斷功能包括故障狀態(tài)標(biāo)志和電流監(jiān)測，后者在實現(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的大電流電機驅(qū)動應(yīng)用中繼電器方案的極佳替代品。用BTS7960驅(qū)動升窗電機等大型負載的典型應(yīng)用電路如圖2所示。

小型負載驅(qū)動策略：ASSP還是標(biāo)準(zhǔn)芯片?

一般來說有兩種方法驅(qū)動小型負載，如后視鏡電機、燈、LED、后視鏡加熱線圈甚至鎖門電機。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，進一步促進這種ASSP開發(fā)，并使它們成功商用化。另外，先進的半導(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)中較小負載所必需的功率電路，這些負載包括門鎖、后視鏡折疊和調(diào)節(jié)電機、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的可重復(fù)鉗位魯棒性。