車(chē)門(mén)模塊的驅動(dòng)策略綜述

過(guò)去十年里，汽車(chē)電子有了飛速的發(fā)展。許多曾用電機實(shí)現的功能已被轉換成電子模塊。最好的例子是車(chē)門(mén)裝置。由電子控制單元(ECU)控制和驅動(dòng)的電動(dòng)車(chē)窗、電動(dòng)后視鏡和門(mén)鎖幾乎成了所有新車(chē)的標準配置。

從廣義上看，電子車(chē)門(mén)系統有兩種不同的架構。第一種是集總式系統，通常它有一個(gè)中心模塊控制和驅動(dòng)所有車(chē)門(mén)中的每個(gè)負載。第二種是分布式系統，其車(chē)門(mén)功能是在多個(gè)ECU中實(shí)現的。

雖然集總式架構由于成本較低而仍在某些車(chē)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(xiàn)，從而增加了重量、布線(xiàn)成本和電纜短路的風(fēng)險；2)單個(gè)模塊功能有限，無(wú)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(diǎn)導致了電子車(chē)門(mén)的系統架構迅速向分布式方向發(fā)展。

目前用于連接分布式ECU模塊的標準汽車(chē)協(xié)議有兩種，分別是CAN和LIN?？梢杂貌煌姆绞酵ㄟ^(guò)CAN/LIN接口實(shí)現一些主要的車(chē)門(mén)功能。其中最流行的是“車(chē)門(mén)區域模塊”或簡(jiǎn)稱(chēng)為“車(chē)門(mén)模塊”的方法。在這種方法中，如門(mén)鎖、后視鏡、車(chē)窗提升器和輔助照明等一些主要的車(chē)門(mén)功能模塊都由單獨的ECU控制和驅動(dòng)。

車(chē)門(mén)模塊中的負載特性和功能千差萬(wàn)別。系統設計師面臨的挑戰是如何高效地驅動(dòng)所有負載并且同時(shí)滿(mǎn)足設計規范要求和成本目標。

作為全球領(lǐng)先的汽車(chē)半導體元器件供應商，英飛凌科技提供了全系列的產(chǎn)品，可以針對車(chē)門(mén)模塊的不同負載實(shí)現不同的驅動(dòng)策略。本文將介紹這些負載的特性以及相應的驅動(dòng)策略。

系統劃分和車(chē)門(mén)模塊的主要負載

車(chē)門(mén)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通信以及執行外部事件監視和信號探測的電路在內的系統基本功能模塊；3)與外部負載相接的驅動(dòng)器和功率電路。車(chē)門(mén)模塊的典型系統劃分如圖1所示。

車(chē)門(mén)模塊的負載類(lèi)型包括直流電機、燈、LED和加熱線(xiàn)圈。圖1也給出了它們的一些特性。為了高效地驅動(dòng)這些不同功能和類(lèi)型的負載，需要不同的驅動(dòng)策略。

圖1： 系統劃分和負載特性。

大型負載驅動(dòng)策略：繼電器還是智能器件？

對升窗電機等大型負載來(lái)說(shuō)，通常有兩種不同的驅動(dòng)方法：第一種是基于繼電器的方法，第二種是使用半導體器件。

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、前置驅動(dòng)器(一般是一對達林頓管)和飛輪二極管；

2．繼電器不能為自身和整機提供任何保護；

3．繼電器自己沒(méi)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(shí)現電流監測；

4．繼電器解決方案無(wú)法實(shí)現PWM控制；

5．通常繼電器本身體積比較大，需要保險絲盒；

6．作為一種移動(dòng)部件，繼電器的機械可靠性較低；

7．當要求開(kāi)關(guān)次數較多(如轉向燈應用)時(shí)，繼電器的電子壽命很有限；

8．保險絲和繼電器解決方案發(fā)熱比較大，因為繼電器線(xiàn)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(kāi)關(guān)和橋的出現為解決以上問(wèn)題打開(kāi)了大門(mén)。一些新的器件，如英飛凌的NovalithIC，可以為大電流電機驅動(dòng)設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(gè)TO-263封裝中包含了三個(gè)獨立的芯片：一個(gè)p溝道MOSFET作為其高側基片，一個(gè)n溝道MOSFET作為其低側基片，還有一個(gè)驅動(dòng)器芯片。這三個(gè)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(gè)共同的引線(xiàn)框架(lead-frame)內。

BTS7960的路徑RDS(ON)在25℃時(shí)為17毫歐，其p溝道和n溝道MOSFET采用不同的工藝制造，從而保證了高側和低側開(kāi)關(guān)的快速開(kāi)閉，還可避免出現交叉電流。這種設計有別于使用電荷泵、最大開(kāi)關(guān)頻率有限的大多數橋，因此有助于實(shí)現高頻PWM控制方案和一些新的功能，如“軟”開(kāi)/關(guān)窗戶(hù)，并具有很好的EMI性能。

驅動(dòng)器IC直接與微控制器相連，可執行全面的保護和診斷功能。保護功能包括限流、欠壓/過(guò)壓閉鎖、過(guò)溫和完全短路保護。診斷功能包括故障狀態(tài)標志和電流監測，后者在實(shí)現防夾斷策略時(shí)通常是必需的。一些特殊功能如集成的空載時(shí)間產(chǎn)生也被集成在里面以輔助直流電機驅動(dòng)。

因此BTS7960是車(chē)門(mén)模塊中帶保護的大電流電機驅動(dòng)應用中繼電器方案的極佳替代品。用BTS7960驅動(dòng)升窗電機等大型負載的典型應用電路如圖2所示。

圖2： BTS7960的一個(gè)典型應用電路。

小型負載驅動(dòng)策略：ASSP還是標準芯片？

一般來(lái)說(shuō)有兩種方法驅動(dòng)小型負載，如后視鏡電機、燈、LED、后視鏡加熱線(xiàn)圈甚至鎖門(mén)電機。第一種方法是使用專(zhuān)用的功率ASSP，第二種方法是使用分立的標準器件。

各種要求的匯總以及降低系統成本的強烈需求使得平臺概念在車(chē)門(mén)模塊這樣的應用領(lǐng)域中越來(lái)越流行。為了滿(mǎn)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省PCB面積和貼裝設備成本，還能提高系統質(zhì)量和良品率。同時(shí)，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(kāi)發(fā)，并使它們成功商用化。另外，先進(jìn)的半導體技術(shù)保證了ASSP能以可靠和高性?xún)r(jià)比的方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)和制造。TLE8201R就是這樣一款用于車(chē)門(mén)模塊應用的功率ASSP。

TLE8201R包含用于驅動(dòng)典型的前門(mén)系統中較小負載所必需的功率電路，這些負載包括門(mén)鎖、后視鏡折疊和調節電機、后視鏡加熱和4個(gè)5W的燈(如轉向燈、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)的大功率鍍銅和側面DMOS工藝。這種技術(shù)有較低的導通電阻、更高的電流容量和更強的可重復鉗位魯棒性。

TLE8201R的另外一個(gè)重要特性是嵌入式標準串行外設接口(SPI)。SPI不僅可以節省微控制器的I/O管腳數量，而且能夠靈活控制功率電路，通過(guò)錯誤標志快速進(jìn)行詳細的故障診斷。這種診斷功能包括對每個(gè)單獨通道進(jìn)行過(guò)載或負載開(kāi)路檢測，對整個(gè)器件進(jìn)行溫度預警及電流檢測輸出。還有各種保護功能，如短路和過(guò)溫保護。兩個(gè)直接PWM通道可以用來(lái)實(shí)現諸如“軟”啟動(dòng)/停止后視鏡加熱、車(chē)內照明的劇院燈光效果或在控制面板背光燈應用中補償LED亮度等級等功能。采用的DSO-36封裝包含了具有較低熱阻的全尺寸散熱片，可確保模塊在正常條件甚至最壞環(huán)境下正常工作。圖3是采用TLE8201R的一個(gè)車(chē)門(mén)模塊設計例子。

圖3： 采用TLE8201R的一個(gè)完整車(chē)門(mén)模塊的框圖。

與車(chē)門(mén)模塊專(zhuān)用功率ASSP相比，多個(gè)標準芯片解決方案在系統配置中更加靈活，特別是在一些負載(如后視鏡折疊)不需要時(shí)。設計師可以更自由地選擇完全匹配每個(gè)負載特性的各個(gè)驅動(dòng)器。這些驅動(dòng)器可以是基于繼電器的器件或智能器件。

針對與后視鏡相關(guān)的電機應用，象TLE6208-3G這樣的器件可以提供高性?xún)r(jià)比的解決方案。它是一種具有全面保護功能并帶SPI的三組半橋驅動(dòng)器，采用小型SO-14封裝。由于半橋有三個(gè)可能狀態(tài)(高、低和三態(tài))，因此兩個(gè)后視鏡位置調節電機可以用級聯(lián)配置方式連接到這三個(gè)半橋的輸出。電機半橋的三態(tài)功能可以節省一個(gè)完整的半橋驅動(dòng)器。正轉、反轉、剎車(chē)和高阻等操作模式可以由SPI接口進(jìn)行控制。來(lái)自橋臂的診斷信息也可以通過(guò)SPI反饋輸出。用兩個(gè)TLE6208-3實(shí)現后視鏡電機驅動(dòng)的例子如圖4所示。

圖4： 采用TLE6208-3的后視鏡電機驅動(dòng)的例子。

與升窗電機相比，門(mén)鎖電機在尺寸和電流上都要小得多。英飛凌的BTS7741可以完全滿(mǎn)足設計要求，是繼電器解決方案的理想替代方案。

BTS7741是TrilithIC系列中的一員，在一個(gè)封裝中包含三個(gè)裸片，即在SO-28封裝中包含一個(gè)雙刀高側開(kāi)關(guān)和兩個(gè)低側開(kāi)關(guān)。高側開(kāi)關(guān)受到全面保護，并包含控制和診斷電路。低側開(kāi)關(guān)也受到全面保護。另外，該器件在斷電模式下具有負載開(kāi)路檢測功能。

TrilithIC產(chǎn)品系列給用戶(hù)提供了更多的選擇，他們可以選出真正符合技術(shù)和預算要求的合適器件。例如，如果不需要負載開(kāi)路檢測功能，可以選用BTS7740。如果低側開(kāi)關(guān)保護功能不那么嚴格，可以考慮BTS7700。

車(chē)門(mén)模塊中的后視鏡加熱線(xiàn)圈和燈可以用智能高側開(kāi)關(guān)進(jìn)行開(kāi)關(guān)。英飛凌PROFET系列中的一些器件，如BSP772T就非常適合這種應用場(chǎng)合。

PROFET器件包含垂直結構的n溝道功率晶體管、用于高端操作的電荷泵以及執行各種保護和診斷功能的邏輯電路。其PWM功能可以用來(lái)實(shí)現后視鏡加熱器的“軟”啟動(dòng)/停止或燈光控制中的特殊效果等功能。

圖5是車(chē)門(mén)模塊的一個(gè)例子，其中用半導體器件驅動(dòng)升窗電機，用分立的標準器件驅動(dòng)其它小型負載。

圖5： 采用分立器件的一個(gè)完整車(chē)門(mén)模塊框圖。

本文小結

從數毫安的LED到30A左右的升窗電機，一個(gè)典型車(chē)門(mén)模塊ECU控制下的不同負載需要不同的驅動(dòng)策略。象升窗電機這樣的大型負載可以用繼電器和保險絲解決方案驅動(dòng)，但更好的解決方案是采用BTS7960這樣的智能半導體器件，除了開(kāi)關(guān)功能外，它還能提供更多保護功能以及無(wú)損電流監測。集成了各種車(chē)門(mén)負載驅動(dòng)器的ASSP(如TLE8201R)是實(shí)現非常緊湊的PCB的理想器件。對于只有少量負載的基本型車(chē)門(mén)模塊來(lái)說(shuō)，分立的智能器件方案是在成本優(yōu)化和處理不同要求的靈活性之間最佳的折衷方案。