汽車本地網(wǎng)絡(luò)的機(jī)電一體化解決方案

　　汽車制造商致力于在每種新的汽車設(shè)計(jì)中擴(kuò)大電子控制的使用。在崇尚實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的汽車市場(chǎng)上，相對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)，電子控制的優(yōu)勢(shì)在于由更簡(jiǎn)易快速的裝配實(shí)現(xiàn)成本降低，而重量的減輕則大大減少了燃料成本。品牌汽車的重點(diǎn)在于提供先進(jìn)的功能并提高乘客的舒適度，讓產(chǎn)品與眾不同，并保證利潤(rùn)。

　　這種趨勢(shì)要求對(duì)汽車裝配線的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行根本改變，例如重新設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)配線方式，由于電子子系統(tǒng)數(shù)量不斷增加，會(huì)很快變得沉重而復(fù)雜，難以承受。

　　更重要的是，與大量制動(dòng)器的中央控制有關(guān)的軟件開(kāi)發(fā)工作變得尤其復(fù)雜和費(fèi)時(shí)，這就要求設(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)出可靠的軟件。另外，中央控制器和單獨(dú)的子系統(tǒng)之間復(fù)雜的信號(hào)聯(lián)系，例如對(duì)大量電子電動(dòng)機(jī)的PWM控制，會(huì)導(dǎo)致高度電磁輻射，造成困難的輻射抑制，這在汽車整體基礎(chǔ)上解決將會(huì)非常昂貴。

　　將更多智能轉(zhuǎn)向單獨(dú)的子系統(tǒng)，會(huì)減少很多汽車配線和信號(hào)傳輸，也會(huì)減少汽車中央控制器負(fù)荷。驗(yàn)證和確保軟件能夠運(yùn)行多個(gè)功能組合是一個(gè)冗長(zhǎng)的過(guò)程，需要花費(fèi)很多工程設(shè)計(jì)時(shí)間。另外，不同種類的電纜樹(shù)的開(kāi)發(fā)、制作和安裝，以及為每一個(gè)電機(jī)進(jìn)行的額外的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)配線，會(huì)很快帶來(lái)更多重量和成本。由于控制板和電機(jī)之間高密度的信號(hào)傳輸，電磁輻射也會(huì)開(kāi)始增多。

　　另外一個(gè)模塊化和容易實(shí)現(xiàn)的解決方案，是將數(shù)碼控制融合到一個(gè)單片集成或多芯片電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。增加或減少一個(gè)電機(jī)變得更加容易，只需要相應(yīng)增加或減少電機(jī)驅(qū)動(dòng)器芯片或模塊。然而，這需要改變板塊設(shè)計(jì)，這個(gè)解決方案沒(méi)有減少控制板和電機(jī)陣列之間配線的復(fù)雜性。因此，如果要解決成本和電磁問(wèn)題，就需要另外的解決方案。

　　將更多智能向電機(jī)點(diǎn)轉(zhuǎn)移，采用電機(jī)一體化模塊，這個(gè)模塊包含接口、控制器和驅(qū)動(dòng)器以及電機(jī)本身組成一個(gè)獨(dú)立的單元，如圖1所示。

　　圖1  電機(jī)一體化模塊示意

　　這樣可減少控制板的裝載量，只包含處理器和一個(gè)總線接口，就像三線LIN總線那樣。LIN已經(jīng)被汽車電子集成商廣泛使用，以減少汽車配線的復(fù)雜性和信號(hào)傳輸。作為一種業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的互連解決方案，可以采用標(biāo)準(zhǔn)的LIN接口以及模塊內(nèi)部的控制和驅(qū)動(dòng)功能，來(lái)支持大量的機(jī)電一體化模塊在汽車上應(yīng)用。

　　額外增加一個(gè)電機(jī)，只需簡(jiǎn)單地將電機(jī)作為一個(gè)完整的機(jī)電一體化模塊連接到總線上。這不僅解決了軟件復(fù)雜性、EMI和分級(jí)性，而且允許汽車模塊供應(yīng)商向汽車制造商客戶交付“現(xiàn)成套裝”模塊。因此，電子系統(tǒng)的集成變得更加直接，為新車型和現(xiàn)有車型的改進(jìn)獲取市場(chǎng)利益創(chuàng)造寶貴的時(shí)間。子系統(tǒng)銷售商也可以創(chuàng)造新的功能，將IP嵌入到模塊中去，這樣就能實(shí)現(xiàn)與眾不同，并且保護(hù)他們?cè)诋a(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的投資。

　　通常和LIN網(wǎng)絡(luò)連接的汽車電子模塊包括安裝在門上的車窗、門鏡和門鎖的驅(qū)動(dòng)、電子座椅調(diào)節(jié)、頂燈定位系統(tǒng)、溫度控制電機(jī)和風(fēng)扇。大多數(shù)這些應(yīng)用都要求在一維或幾維內(nèi)進(jìn)行控制。為了實(shí)施一個(gè)機(jī)電一體化解決方案，系統(tǒng)集成商不僅需要成熟的LIN接口IP，還需要帶有集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能的可配置電機(jī)控制、CPU和存儲(chǔ)子系統(tǒng)的集成，以及適用于汽車額定電壓的電力電子技術(shù)。

　　圖2顯示集成了總線接口功能塊和機(jī)電一體的電機(jī)控制器解決方案。LIN接口接收高電平的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和位置命令。智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能使必要信號(hào)從一個(gè)電機(jī)移動(dòng)到另一個(gè)電機(jī)。具體的執(zhí)行可能需要一個(gè)狀態(tài)機(jī)、微步進(jìn)電流查找表和電流控制器，能夠由設(shè)計(jì)者設(shè)置參數(shù)，以滿足具體的系統(tǒng)要求。除了接口和控制功能，還必須使用其他的功能塊，例如步進(jìn)電機(jī)控制所需的穩(wěn)壓器、電荷泵以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)MOSFET。一個(gè)智能的電力技術(shù)，可以將所有這些模塊合并成單個(gè)集成解決方案，快速地集成到電機(jī)組件中去。

　　圖2  電機(jī)控制器解決方案示意

　　這種方式也可以在硬件中采用更加復(fù)雜的電機(jī)控制功能，例如電流整形。如果獨(dú)立設(shè)計(jì)出一種步進(jìn)電機(jī)控制器，設(shè)計(jì)者通常會(huì)希望采用他們自己的電流整形來(lái)支持微步進(jìn)“向前”、“慢速衰減”、“快速衰減”和“混合衰減”模式。另外一個(gè)對(duì)步進(jìn)電機(jī)操作有關(guān)鍵影響的設(shè)計(jì)是確定 PWM頻率。如果頻率設(shè)定過(guò)高，就有可能導(dǎo)致過(guò)熱。另一方面，如果頻率過(guò)低，驅(qū)動(dòng)器就會(huì)產(chǎn)生可聽(tīng)見(jiàn)的噪音。設(shè)定合理的頻率取決于包括供應(yīng)電壓、常用電流和操作溫度在內(nèi)的操作條件。如果應(yīng)用的是汽車機(jī)電一體化模塊，這些都可以精確地得到預(yù)測(cè)。假定典型值，計(jì)算出一個(gè)最佳PWM頻率約為22kHz。因此，在硬件中固定PWM頻率是可行的，這樣能節(jié)省外部的器件。其他在硬件中可能有用的功能，如可以最大化可靠性、減少組件數(shù)量以減少外部二極管或肖特基器件裝置，以及片內(nèi)電流感測(cè)都集成在一顆芯片中。片內(nèi)電流感測(cè)允許單片集成控制器IC獨(dú)立回應(yīng)命令，該命令由設(shè)定電機(jī)電流的LIN總線接收。

　　通過(guò)在硬件中采用必要的步進(jìn)電機(jī)控制，圖中顯示的電容成了唯一需要的外部元件。對(duì)電子子系統(tǒng)的銷售商來(lái)說(shuō)，這個(gè)流線型硬件集成減少了軟件設(shè)計(jì)，允許開(kāi)發(fā)者集中精力在應(yīng)用設(shè)計(jì)層面上，增加獨(dú)特功能和成本效益。AMI已經(jīng)采用這種方法，為L(zhǎng)IN連接的汽車機(jī)電一體化模塊設(shè)計(jì)了一個(gè)單芯片步進(jìn)電機(jī)控制器。

　　AMI3062x就是一個(gè)使用AMI的智能功耗技術(shù)，即智能接口技術(shù)(I2T)制造的單芯片集成IC。 I2T可以在一個(gè)單獨(dú)的IC中實(shí)現(xiàn)低壓、中壓和高壓電路集成、高精度模擬電路、非易失性存儲(chǔ)和一些中等復(fù)雜的數(shù)字電路。如圖3所示，在這個(gè)器件中，兩個(gè)H 橋MOSFET驅(qū)動(dòng)器，都使用了40V的低漏-源電阻RDS (ON)晶體管，能夠滿足高達(dá)800mA的電機(jī)電流要求。

　　圖3  AMIS-3062X內(nèi)部電路示意

　　支持智能功耗技術(shù)的開(kāi)發(fā)工具，也讓工程師有了足夠的靈活性來(lái)設(shè)計(jì)定制的電機(jī)控制總線命令。這些可以用于加速應(yīng)用開(kāi)發(fā)，以及減少總線的內(nèi)部信號(hào)傳輸。

　　使用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的機(jī)電一體化

　　需要更高電機(jī)驅(qū)動(dòng)要求的模塊，可能需要額外的外部MOSFET，可能會(huì)使用I2T集成的MOSFET作為前級(jí)驅(qū)動(dòng)。另外，一個(gè)要求更復(fù)雜的信號(hào)傳輸?shù)哪K可能需要一個(gè)微處理器。使用標(biāo)準(zhǔn)的8、16或32位處理器，結(jié)合基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字組件和電力電子的智能電力或分離解決方案是
另一種選擇。

　　更高程度的集成和智能

　　另一方面，片上系統(tǒng)(SoC)解決方案提供了最大的可靠性、組裝簡(jiǎn)便性、更低成本的材料和供應(yīng)的連續(xù)性。需要一種能夠支持嵌入式微處理器、高精度模擬的復(fù)雜數(shù)字電路和高壓功能的工藝。例如，BCD (Bipolar CMOS DMOS)工藝允許用數(shù)字CMOS 電路集成微控制器核、芯片內(nèi)存儲(chǔ)以及采用半橋或全橋高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的獨(dú)立DMOS 晶體管。BCD工藝的優(yōu)點(diǎn)，包括最大的DMOS晶體管的額定電壓，以及芯片內(nèi)存儲(chǔ)器和處理器內(nèi)核的容量。為了達(dá)到14V和將來(lái)42V的汽車電子供電標(biāo)準(zhǔn)，DMOS晶體管就應(yīng)該調(diào)整到80V。

　　一個(gè)例子是，AMI的BCD工藝采用了0.35mm技術(shù)的數(shù)字CMOS電路，能夠使用一系列內(nèi)核為32位的復(fù)雜處理器，例如ARM7TDMI。還有OTP存儲(chǔ)器，用于代碼存儲(chǔ)的64kByte嵌入式閃存和/或1 kByte的數(shù)據(jù)EEPROM。芯片內(nèi)高精度模擬電路，包括光帶隙基準(zhǔn) 、ADC和DAC，以及包括LIN控制器在內(nèi)的數(shù)字IP，能夠簡(jiǎn)化一級(jí)供應(yīng)商的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

　　多芯片模塊解決方案

　　另外，制造多芯片模塊、綜合使用智能功耗、數(shù)字和模擬技術(shù)，讓設(shè)計(jì)者獲得更多自由度，能夠創(chuàng)造出適用于復(fù)雜的多維解決方案的、擁有更大存儲(chǔ)容量更靈活的處理子系統(tǒng)。還可以使用更小的設(shè)計(jì)規(guī)則來(lái)制造CPU子系統(tǒng)，雖然需要更高的工藝成本，但更小的芯片尺寸也能減少實(shí)際成本。

　　然而作為機(jī)電一體化模塊的一部分，組裝一個(gè)多芯片解決方案不是一件簡(jiǎn)單的事情。為了滿足汽車質(zhì)量和可靠性標(biāo)準(zhǔn)，需要采用嚴(yán)格控制的系統(tǒng)封裝 (SiP)技術(shù)，它是QS9000認(rèn)證的封裝。因此，系統(tǒng)集成商必須在多芯片方式更大的靈活性和可靠性風(fēng)險(xiǎn)、更多的SiP開(kāi)發(fā)和組裝之間取得平衡。

　　散熱對(duì)系統(tǒng)分割和封裝的影響

　　特定機(jī)電一體化解決方案的最佳配置，必須將電機(jī)產(chǎn)生的熱量、RDS(ON)產(chǎn)生的熱量以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器功率 MOSFET內(nèi)部的開(kāi)關(guān)損失考慮在內(nèi)。

　　因此單芯片集成的使用，會(huì)使包括MCU和存儲(chǔ)在內(nèi)的數(shù)字電路超過(guò)制造商建議的最高工作溫度。一個(gè)潛在的解決方案是提高數(shù)字工藝的工作溫度。另一方面，使用更先進(jìn)的封裝技術(shù)，通過(guò)對(duì)隔離的DMOS 晶體管的散熱，消除熱量在SoC襯底中的積累，也可能會(huì)有效防止過(guò)高的溫度毀壞數(shù)字電路。在實(shí)際應(yīng)用中，兩種技術(shù)結(jié)合使用可能會(huì)更有效。

　　結(jié)語(yǔ)

　　對(duì)于想要提供獨(dú)一無(wú)二的使用價(jià)值的子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商和希望加快進(jìn)入市場(chǎng)速度、節(jié)約成本和增加新車型賣點(diǎn)的汽車制造商來(lái)說(shuō)，機(jī)電一體化解決方案與汽車LIN總線基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)接有很明顯的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)果是，全球的汽車買家都能夠得到更大的可靠性、駕駛/使用更加便捷和更有樂(lè)趣的更多板上電子功能，以及更快的新車型更新速度。

　　為了采用機(jī)電一體化模塊的電子控制功能，有幾個(gè)技術(shù)解決方案可以使用。需要考慮的主要問(wèn)題是性能要求、成本、靈活性、可靠性和散熱性能。首先，關(guān)鍵是要選擇一位精通這些適用技術(shù)的專家級(jí)合作伙伴，使用最合適的架構(gòu)來(lái)滿足整體的系統(tǒng)要求。