當(dāng)代汽車中的供電線連接

當(dāng)代高級(jí)機(jī)動(dòng)車，為了追求高性能，低油耗，低幅射，提高舒適性、方便性和安全性，需要配備大量的電子裝置。每種新型車輛系統(tǒng)或電氣功能的出現(xiàn)都伴隨著連接性的增加。新興的信息通信和驅(qū)動(dòng)器信息系統(tǒng)領(lǐng)域更要整合多種技術(shù)來增強(qiáng)機(jī)動(dòng)車安全性，通信功能、方便性以及娛樂性。這些技術(shù)涉及動(dòng)態(tài)導(dǎo)航、無線連接/因特網(wǎng)接入、語音處理、汽車收音機(jī)、虛擬儀表面板、防撞系統(tǒng)以及其它等等。通過這些電子裝置，機(jī)動(dòng)車與車內(nèi)系統(tǒng)、其它機(jī)動(dòng)車，驅(qū)動(dòng)器和擴(kuò)充通信網(wǎng)絡(luò)相互作用，并支持多種車內(nèi)應(yīng)用。毫無疑問，這些系統(tǒng)也需要一種汽車專用的供電方案。
汽車總線
機(jī)動(dòng)車復(fù)雜電子裝置的先驅(qū)是引擎控制系統(tǒng)。它經(jīng)過擴(kuò)充后目前稱為動(dòng)力鏈（Power-Train）系統(tǒng)，其中包含了傳輸控制和高級(jí)車內(nèi)診斷功能。車用動(dòng)力鏈總線既要高速度，又要具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用的數(shù)據(jù)傳輸能力。
如表1所示，SAE最初定義了低、中、高速三類數(shù)據(jù)通信機(jī)動(dòng)車網(wǎng)絡(luò)?？刂破骶钟蚓W(wǎng)（CAN）和SAE J-1850一直占據(jù)著主流地位，但也不是唯一的總線體系結(jié)構(gòu)。
SAE J-1850包含了最初由全部三家美國汽車制造商開發(fā)的各種版本。CAN是一種串行、異步、多主通信協(xié)議，用來連接汽車和工業(yè)應(yīng)用的電子控制模塊。CAN是為需要高級(jí)數(shù)據(jù)整合和高達(dá)1Mbps數(shù)據(jù)率汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的。
CAN具有低、高速兩種實(shí)施方案，使用不同電壓在一對(duì)導(dǎo)線上進(jìn)行通信，通常稱為高速物理層和低速物理層。當(dāng)兩根導(dǎo)線中一根因短路或一路發(fā)生故障時(shí)，低速體系結(jié)構(gòu)變?yōu)閱尉€工作體系結(jié)構(gòu)（所謂離線地）。由于電路需要具備這一功能的緣故，這種體系結(jié)構(gòu)在超過125Kbps總線速率時(shí)，其實(shí)實(shí)施成本是十分昂貴的。因此，125Kbps是高速與低速CAN的分界線。圖1表示CAN支持其它車用網(wǎng)絡(luò)的連接方法。
對(duì)某些機(jī)動(dòng)車應(yīng)用，如車體電子系統(tǒng)中的馬達(dá)控制，甚至可以使用更低的總線。本地互連網(wǎng)（LIN）是一種UART基、單主、多從網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，原是為汽車傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)的。LIN為連接車內(nèi)馬達(dá)、開關(guān)、傳感器和車燈提供了一種廉價(jià)的網(wǎng)絡(luò)備選方案。LIN主節(jié)點(diǎn)連接LIN網(wǎng)絡(luò)和高級(jí)網(wǎng)絡(luò)（如CAN），將網(wǎng)絡(luò)的作用一直延伸到每個(gè)傳感器和執(zhí)行器（表2）。
在配備齊全時(shí)，導(dǎo)線驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)需要大量的功率。術(shù)語“用導(dǎo)線（by-wire）”表示控制系統(tǒng)已完全取消了機(jī)械或液力連接，而在控制單元之間采用電子連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行器。用導(dǎo)線驅(qū)動(dòng)包括導(dǎo)線調(diào)節(jié)，用導(dǎo)線剎車，用導(dǎo)線變速以及用導(dǎo)線駕駛，特別是對(duì)自動(dòng)停車系統(tǒng)。
為了實(shí)現(xiàn)這類高功率控制系統(tǒng)，需要一種容錯(cuò)的，時(shí)間觸發(fā)的體系結(jié)構(gòu)。目前，在這個(gè)領(lǐng)域爭奪領(lǐng)導(dǎo)地位的有三種協(xié)議。Flex Ray采用光纖，當(dāng)然也能在銅線上工作，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)10Mbps。另一類是TTP（時(shí)間觸發(fā)協(xié)議）使用銅線，數(shù)據(jù)率僅2Mbps，但Vienna大學(xué)的研究人員正在開展使用光纖的探索。第三種協(xié)議TT-CAN，既支持“時(shí)間觸發(fā)”應(yīng)用，也支持“事件觸發(fā)”應(yīng)用。
汽車多媒體接口聯(lián)盟，或AMI-C，正在制訂移動(dòng)信息和娛樂系統(tǒng)多媒體標(biāo)準(zhǔn)。AMI-C的主要工作集中在多目標(biāo)信息和多媒體技術(shù)，想方設(shè)法解決Bluetooth、IEEE-1394和面向媒體系統(tǒng)傳輸（MOST）基車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的使用。Bluetooth為車輛環(huán)境提供無線連接；IEEEE-1394已在消費(fèi)品環(huán)境中連接幾種多媒體產(chǎn)品；MOST則是專為汽車視頻和音頻流數(shù)據(jù)開發(fā)的光媒體基協(xié)議。
對(duì)上面已討論過的所有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（除LIN外），要想實(shí)現(xiàn)全部系統(tǒng)功能需要功能更強(qiáng)的微處理器。
電源的特殊要求
在汽車應(yīng)用中，多種電源電壓和寬溫度范圍內(nèi)電壓精度亟需特殊的電源電路。兩個(gè)突出的例子是物理層電源要求和高級(jí)微處理要求的多種電壓加電順序。
簡單的物理層器件未必能勝任某些汽車應(yīng)用。例如，所有汽車模塊要求使用穩(wěn)壓電源。有時(shí)，一個(gè)本地開關(guān)或傳感器會(huì)將模塊喚醒，以休眠狀態(tài)進(jìn)入有源工作狀態(tài)。該開關(guān)或傳感器是以車輛電池工作的。為了簡化車輛中物理層應(yīng)用的電源設(shè)計(jì)，已研制出專用的電源IC，如Motorola的系統(tǒng)偏壓芯片（SBC）族。其中MC33389兼?zhèn)淦嘋AN連接的CAN物理層功能和穩(wěn)壓器功能，內(nèi)置獨(dú)立的看門狗定時(shí)器和本地喚醒電路，以最少元件求得最大的靈活性（圖2）。在一個(gè)封裝內(nèi)組合這些功能需要先進(jìn)的混合信號(hào)半導(dǎo)體工藝，如Motorola的SmARTMOSTM工藝。集成化設(shè)計(jì)降低了組裝成本，提高了可靠性，還增加了設(shè)計(jì)的靈活性。
MC33389將低速容錯(cuò)CAN收發(fā)器和雙低壓降穩(wěn)壓器組合在一起，穩(wěn)壓器分別具有100mA和200mA的電流負(fù)載能力。IC還設(shè)有限流器和預(yù)報(bào)警的過溫檢測器，以及5V輸出電壓V1穩(wěn)壓器，V1自帶監(jiān)測電路和復(fù)位功能。
IC提供脫離CAN接口工作模式的三種工作模式（正常、備用和休眠），并能訪問低速125K波特率容錯(cuò)CAN接口。芯片的直流工作電壓高達(dá)27V，并能承愛40V最大瞬時(shí)電壓。此外，IC可在汽車極限應(yīng)用的-40℃~125℃溫度范圍內(nèi)工作。
加電順序
在先進(jìn)VLSI邏輯件中的高速邏輯芯核設(shè)計(jì)在低壓（3.3V或2.6V）工作，而I/O接口用電源通常是5V。雙電源MPU的加電順序通常是預(yù)先規(guī)定的。用于此目的和旨在專用MPU設(shè)計(jì)的電源IC能保證正確的順序。
用于先進(jìn)MPU電源的時(shí)間和電壓指標(biāo)既會(huì)影響加電，也會(huì)影響斷電。倘若超過設(shè)計(jì)指標(biāo)，由于電流進(jìn)入芯片內(nèi)的隔離結(jié)構(gòu)，因而在器件的I/O端口與芯核之間會(huì)出現(xiàn)過大的電壓應(yīng)力和閉鎖狀態(tài)。不管出現(xiàn)哪種情況，會(huì)立刻或稍后損壞器件，從而影響可靠性。既使MPU可設(shè)計(jì)成擴(kuò)展工作，即其中一個(gè)電壓允許低于正常的工作電壓，加電順序仍為增加可靠性提供了付加保險(xiǎn)度。
動(dòng)力鏈電源IC
對(duì)動(dòng)力鏈應(yīng)用，電源IC（如Motorola的MC33997和MC33998）為電子控制單元（ECU），提供一套完整的電源系統(tǒng)解決方案。這此芯片設(shè)計(jì)成能隨惡劣的汽車環(huán)境-40℃~+125℃，而在6V~26.5V輸入電源下工作，瞬時(shí)電壓高達(dá)46V。MC33997和MC33998以其加電順序、輸出電壓監(jiān)測、管理功能和動(dòng)力鏈應(yīng)用的特殊保護(hù)功能，為Motorola MPU中的芯核和I/O提供所需的電壓。這些器件還支持備用模式，電源外部傳感器及其它功能。
圖3是為雙電壓MPU設(shè)計(jì)的簡化應(yīng)用圖。MC33997電路通過逐級(jí)降壓開關(guān)電路將電池電壓變換成5V。器件中一個(gè)使用外部通路晶體管的線性穩(wěn)壓器提供3.3V輸出。該芯片還提供1個(gè)附加的3.3V輸出和2個(gè)有內(nèi)部保護(hù)、低RDS5V輸出，分別供備用電路和傳感器使用。MC33998是一個(gè)類似的器件，但提供2.6V輸出而不是3.3V，供需要較低電壓的MPU使用。兩種芯片的開關(guān)穩(wěn)壓器是帶集成高端P溝道功率MOSFET的高頻（750KHz）降壓變換器。
專用電源
多媒體和電信息通信中存在不同電壓的需求。因此，對(duì)最新型的汽車應(yīng)用，能產(chǎn)生其它電壓的定制化IC應(yīng)運(yùn)而生。改進(jìn)的定制化產(chǎn)品為汽車中的日益增加的連接性創(chuàng)造了條件，有助于生產(chǎn)廠家個(gè)性化它們的汽車產(chǎn)品。功能豐富的電源IC能簡化最終產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，提高汽車在惡劣環(huán)境中生存的耐用性。
表1、車用控制總線的分類
表2、LIN與CAN的比較
表3、導(dǎo)線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)間觸發(fā)協(xié)議
圖1、汽車系統(tǒng)是由幾種車用網(wǎng)絡(luò)連接的。
圖2、內(nèi)置集成電壓穩(wěn)壓器的CAN收發(fā)器
圖3、MC33997電源IC