面向電動車窗/天窗應(yīng)用的集成嵌入式功率半導(dǎo)體

推動電動車窗電控單元采用高度集成解決方案的因素

　　如今，電動車窗已成為汽車標(biāo)準(zhǔn)功能之一。即使在成本至上的新興市場，它也是影響購車者決定的最重要因素之一。多數(shù)購車者都將電動車窗視為必備的舒適功能，因此汽車廠商都將其作為一種基本功能。

　　當(dāng)前車門正沿著模塊化、輕型化方向發(fā)展，另一個發(fā)展趨勢是加裝側(cè)安全氣囊。隨著車門結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，車門腰線的負(fù)載規(guī)格也相應(yīng)提高，以實(shí)現(xiàn)出色的碰撞性能。性能的增強(qiáng)與添加安全氣囊極大刺激了對小尺寸車門/電動車窗ECU（電控單元）的需求。更高的半導(dǎo)體集成度是管理防夾等復(fù)雜功能的關(guān)鍵，同時也滿足了小型、輕量要求。

　　車窗防夾功能也適用于天窗模塊，該模塊和車窗共用相同的車窗舉升機(jī)制。

ePower TLE7810G的優(yōu)勢

　　英飛凌提供的嵌入式功率（ePower）半導(dǎo)體TLE7810G主要應(yīng)用于電動車窗，采用單一封裝，內(nèi)含兼容標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核的8位微控制器，同時搭載片上調(diào)試支持和系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片（SBC）。SBC搭載符合LIN2.0/ SAEJ2602標(biāo)準(zhǔn)的LIN收發(fā)器、低壓降穩(wěn)壓器與兩個低側(cè)開關(guān)（繼電器驅(qū)動器）和為外部霍爾傳感器供電的電源，另外還提供高側(cè)驅(qū)動器，用于驅(qū)動發(fā)光二極管。

圖1 TLE7810G框圖

　　此集成電路是采用PDSO-28封裝的多芯片模塊（MCM），經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，適用于嚴(yán)酷的汽車環(huán)境。

　　該8位微控制器具備16KB片上閃存，可處理多個控制任務(wù)，其中包括車窗防夾功能。自2008年10月起，美國境內(nèi)生產(chǎn)的車輛必須具備此功能，很快將有多個國家效仿這種作法。目前，許多汽車廠商已在新款車內(nèi)加裝了此功能。

　　車窗升降器屬于高電流裝置，而目前的乘用車大部分仍采用繼電器驅(qū)動電動車窗電機(jī)。為了滿足這種情況，TLE7810G內(nèi)嵌兩個繼電驅(qū)動器，控制驅(qū)動電動車窗電機(jī)的外部繼電器。

　　此外，TLE7810G還集成了LDO（低壓降）穩(wěn)壓器，負(fù)責(zé)為霍爾傳感器供電。霍爾傳感器通常安裝在車窗防夾系統(tǒng)內(nèi)，用于檢測車窗的速度/扭矩和位置。

　　高度整合的單一封裝大大降低了PCB占位空間，使其能夠安裝在更?。ǜ阋耍┑耐鈿?nèi)。同時，芯片的靜態(tài)電流消耗極低，可滿足現(xiàn)今電動車窗/車門模塊的苛刻要求。

　　這類芯片還內(nèi)嵌LIN收發(fā)器，以滿足逐漸流行的分散式架構(gòu)要求，即每個車窗由專門的ECU控制。通過連接LIN總線，可實(shí)現(xiàn)分散式模塊方案，從而大幅減少布線數(shù)量和整體重量。

圖 2 顯示分散式車身控制架構(gòu)

　　相對于微控制器、收發(fā)器、繼電器驅(qū)動器和穩(wěn)壓器等各個分立式裝置，這種高度集成解決方案另一個突出優(yōu)勢是節(jié)省芯片封裝成本。對電動車窗ECU的一級供應(yīng)商而言，采用高度集成的ePower解決方案，可獲得因組件減少帶來的更高可靠性、出類拔萃的庫存管理和更高的生產(chǎn)組裝效率。

　　TLE7810G還具備5個喚醒輸入，LIN收發(fā)器可經(jīng)受高達(dá)4kV的靜電放電。

需要滿足的主要技術(shù)要求
防夾與車窗位置存儲處理

　　防夾是電動車窗的重要安全要求，必須保證在車輛發(fā)生故障情況下仍能正確運(yùn)行，特別是在電動車窗升降時，遭遇電池故障或熄火狀況，這點(diǎn)至關(guān)重要。為確保防夾功能正確運(yùn)行，系統(tǒng)再次啟動時，必須知道車窗的正確位置。因此，在電源關(guān)閉之前，系統(tǒng)必須在極端時間內(nèi)存儲最后的車窗位置。

　　通常情況下，防夾機(jī)制取決于車窗的位置。舉例來說，如果車窗在完全打開后升起，只要偵測到防夾情況，車窗就會停止移動。但若車窗上升的空間少于250毫米，車窗必須停止并下降100毫米。為了讓車窗正確關(guān)閉，當(dāng)車窗上升的空間不足4毫米時，將不啟動防夾偵測。

　　受到機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)能量的影響，從關(guān)閉電動車窗電機(jī)到車窗完全停止運(yùn)動，需要50毫秒時間。在此期間，ePower必須監(jiān)控霍爾傳感器，并在電源關(guān)閉前存儲車窗最后的位置信息。同時，在此期間，ECU將采用緩沖電容器供電。電容器的大小取決于橋接時間、電流消耗和應(yīng)用的電壓需求，這是系統(tǒng)開始關(guān)閉時的電壓水平與低電壓重置時的電壓水平的差別。TLE7810G經(jīng)過優(yōu)化，具備3.3V的極低欠壓重置閾值，因此可采用較小且便宜的緩沖電容器。

低靜態(tài)電流消耗

　　即使在活動模式下，通常仍需將車窗穩(wěn)壓器ECU的電耗降低至幾百微安。這是因?yàn)轳{駛員關(guān)閉引擎時，車鑰匙仍處于通電位置，電動車窗和防夾功能仍可運(yùn)行，最好能盡量降低電流的消耗。

　　為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)定期喚醒控制器在活動模式下運(yùn)行，但在較長時間內(nèi)具備低功耗。利用TLE7810G的低功耗模式可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。TLE7810G的規(guī)格定義為：在省電模式下，停止循環(huán)喚醒的通信裝置（SBC）與微控制器（MCU）裝置。當(dāng)微控制器處于省電模式時，消耗的電流最低。核心組件與外設(shè)均不運(yùn)行。通過外部中斷可喚醒微控制器（使用或不使用重置）。因此，SBC可定期生成這種內(nèi)部“喚醒”信號，使微控制器能夠返回活動模式，為其應(yīng)用提供支持。總功耗約為：30uA + 80uA = 110uA。關(guān)鍵特性是LIN或監(jiān)控器管腳喚醒及其它定期喚醒功能，做到主動監(jiān)控其它信號或輸入。

未來展望

　　今后的發(fā)展趨勢是，使用外置高電流半導(dǎo)體開關(guān)（如BTM7960B）代替繼電器驅(qū)動電動車窗電機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)包括較低的噪音、更長的使用壽命、較小的PCB尺寸和先進(jìn)的功能，例如采用脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)軟啟動。此外，在因溫度變化和橡膠密封劑老化造成的多樣機(jī)械摩擦導(dǎo)致電機(jī)電流變化的苛刻環(huán)境下，半導(dǎo)體解決方案能提供更加出色的保護(hù)與診斷管理。

　　防夾軟件在苛刻的汽車環(huán)境中，具備更高的智能性、強(qiáng)健性和適應(yīng)性。TLE7810G具備可擴(kuò)展性，閃存可由16KB、24KB增大至32KB。如要通過升級軟件提高防夾功能，可利用單線LIN支持LIN BSL（引導(dǎo)加載）下載程序。

結(jié)語

　　迄今為止，在亞太地區(qū)，尤其在中國，乘用車車門模塊與天窗模塊已越來越普及。根據(jù)當(dāng)?shù)厥袌鰯?shù)據(jù)顯示，天窗模塊的銷量在近年來大幅攀升，主要是因?yàn)樵S多購買私家車的年輕人認(rèn)為電動天窗能體現(xiàn)時尚生活風(fēng)格。2004年，出于安全考慮，中國政府禁止改裝電動天窗，此舉也造成OEM市場在中國蓬勃發(fā)展。

　　支持高度集成解決方案和可擴(kuò)展器件系列的嵌入式功率半導(dǎo)體具備多種優(yōu)勢：較小的PCB尺寸、重量輕、以較少的組件提供更高的可靠性、出色的庫存管理和更高的制造組裝效率。

　　這種單片解決方案也可大幅簡化設(shè)計(jì)，縮短上市時間。