基于A(yíng)tmel半導體方案的汽車(chē)雨刷系統的實(shí)現

　　在目前已有的前端雙雨刷系統中，左右雨刷器之間的同步用機械連接實(shí)現(圖1)。這很有必要，因為擋風(fēng)玻璃受污垢、風(fēng)及雨刷器的狀況不同的影響，使左右雨刷器的狀態(tài)不同。

　　多年來(lái)，汽車(chē)業(yè)一直在尋找一種能降低噪聲和機械連接空間要求的智能方案。

　　一種方案就是用電子解決方案替代機械連接(圖2)。在這種架構中，每個(gè)雨刷器都由一直流電機驅動(dòng)。直流電機由可直接安裝在電機組件內部的微控制器和驅動(dòng)IC來(lái)控制。用一接口處理左右雨刷器的同步問(wèn)題，這樣，兩刷器之間就沒(méi)必要使用傳統雨刷系統那種機械連接，其噪聲大大減小，同時(shí)也節省了空間。

　　由于成本原因，雨刷系統使用直流電機。一種支持PWM和4個(gè)功率MOSFET控制方向驅動(dòng)的全H橋柵極驅動(dòng)器能控制這類(lèi)電機。這種應用的IC必須采用高電壓工藝設計，必須適合在苛刻的環(huán)境中使用。另外，如擋風(fēng)玻璃雨刷系統這樣的高容量直流電機應用應該采用優(yōu)化的通信接口。

　　因為雨刷電子產(chǎn)品通常離汽車(chē)無(wú)線(xiàn)電設備很近，所以，必須控制EMC發(fā)射，汽車(chē)無(wú)線(xiàn)電的電子中斷會(huì )使汽車(chē)駕駛員難以忍受?？梢杂貌罘执型ㄐ沤涌?SCI)收發(fā)器來(lái)減少這類(lèi)輻射，改善EMC性能。SCI收發(fā)器是一種差分器件，對于僅有一個(gè)雨刷器的系統,它能以單端模式工作。這種柵極驅動(dòng)器具備的SCI功能使其與LIN設備很類(lèi)似。不過(guò)，與標準LIN接口相比，數據傳輸率更快，高達100 k波特。

　　每個(gè)雨刷器模塊(圖3)都由一個(gè)微控制器、一個(gè)高度集成的柵極驅動(dòng)器和直流電機組成。由多個(gè)霍爾傳感器測量?jì)蓚€(gè)雨刷器的位置。驅動(dòng)器通過(guò)雨刷器開(kāi)關(guān)把命令送至微控制器。電子設備靠近雨刷器電機安裝，對空間要求不是很大。

　　ECU消耗電流要低這一要求的重要性不斷增長(cháng)。為能夠保證待用IC的靜態(tài)電流低，要采用專(zhuān)用喚醒和休眠模式。雨刷器應用的典型功能劃分見(jiàn)圖4示，由微控制器、微控制器供電穩壓器以及其他如霍爾傳感器的分立元件組成。為安全起見(jiàn)，例如在雨中駕駛時(shí)，雨刷器損壞可能就很危險，這就要求系統有一看門(mén)狗。

　　為進(jìn)一步防止系統出現故障，要求汽車(chē)IC具備很多功能，如過(guò)熱關(guān)閉、過(guò)壓和欠壓保護、以及防短路全保護，要滿(mǎn)足嚴格的汽車(chē)鑒定要求(防傳導干擾，EMC和ESD保護)。為解決這些問(wèn)題，滿(mǎn)足以上要求，Atmel公司開(kāi)發(fā)了ATA6026這一高度集成的柵極驅動(dòng)器IC。該柵極驅動(dòng)器IC包括一個(gè)5V/100mA穩壓器加一個(gè)看門(mén)狗，對要求PCB面積較小的較小型設計，這就減少了外部元件數，這在機電方案中很關(guān)鍵。該IC進(jìn)行運動(dòng)控制，因此這一功能不需要在微控制器中增加任何存儲器?？撮T(mén)狗執行窗口看門(mén)狗的功能，在窗口打開(kāi)期間，由微控制器通過(guò)WD引腳從低電平向高電平轉化時(shí)觸發(fā)。如果看門(mén)狗檢測到窗口錯誤，即在窗口打開(kāi)時(shí)未觸發(fā)或者在窗口關(guān)閉時(shí)錯誤觸發(fā)，將會(huì )產(chǎn)生復位脈沖。

　　圖5中的框圖給出了要實(shí)現的功能和典型應用的原理圖。微控制器通過(guò)提供一PWM速度信號和一方向信號來(lái)控制IC的驅動(dòng)功能。因為該芯片必須驅動(dòng)外部H橋的柵極，所以包含有兩個(gè)推挽式驅動(dòng)器，用來(lái)控制兩個(gè)用作高端驅動(dòng)器的外部功率NMOS FET，另外還有兩個(gè)推挽式驅動(dòng)器，用來(lái)控制兩個(gè)用作低端驅動(dòng)器的外部功率NMOS FET。驅動(dòng)器可與標準或邏輯電平功率NMOS FET一起使用。高端控制驅動(dòng)器使用外部自舉電容器給柵極提供超過(guò)電池電壓8V～14V的電壓。也可以逆向控制電機。采用電荷泵給高端驅動(dòng)器的柵極供電，這樣在兩個(gè)方向上都可能達到100%的占空比。為防止H橋出現高峰值電流，采用非重疊相位實(shí)現外部功率NMOS晶體管的切換。交叉導通時(shí)間由外部RC組合決定。

　　內部和外部電壓源采用低功率和低壓降片上穩壓器。一個(gè)用作功率元件的外部晶體管有助于降低功耗。在待用期間，器件的休眠模式能保證靜態(tài)電流很低，通常為35微安。對于6V～9V的電池電壓，穩壓輸出為5V ± 10%;電池電壓超過(guò)9V時(shí)，穩壓輸出為5V ± 3%。為防止外部NPN管和IC的損壞，用一感測電阻檢測穩壓器輸出電流。萬(wàn)一出現過(guò)電流，穩壓器就將電流限制到指定的水平。也就是說(shuō)，如果穩壓器特性變?yōu)榉€流器特性，則輸出電壓將擊穿。即使出現永久的導通狀態(tài)(100% PWM，自舉功能不存在了)，全集成充電泵仍能給高端驅動(dòng)器的外部功率MOSFET的柵極供電。另外，用作反向電池保護的外部功率NMOS的柵極可由充電泵輸出供電。

　　前面已經(jīng)提到，ECU應用要具備休眠功能以滿(mǎn)足低電流消耗的要求。在A(yíng)TA6026的休眠模式下，可以使用引腳EN或數據喚醒IC。只有幾個(gè)模塊處于換醒狀態(tài)(帶隙、帶有100 nF外部隔直電容的內部5V穩壓器、檢測EN引腳閾值的輸入結構和SCI接收部分的喚醒模塊)。上電缺省態(tài)為激活模式。為了在兩個(gè)模式間變化，采用3個(gè)步驟。除激活/不激活EN引腳外，還有通過(guò)使用SCI收發(fā)器實(shí)現的第二種喚醒方法。在休眠模式下，SCI收發(fā)器部分激活并在單端模式下工作。如果用SCI去激活，則EN引腳能保持低電平，而不干擾激活模式。

　　由于穩壓器、運動(dòng)控制、看門(mén)狗和通信接口都集成在采用小型QFN封裝的單芯片上，因此可降低系統總成本，同時(shí)對幾乎所有種類(lèi)的電機驅動(dòng)應用，無(wú)需適配，輸出級仍具有即插即用的靈活性。IC包含有運動(dòng)控制部分，只是PWM速度信號和方向信息必須由微控制器提供。有兩個(gè)診斷引腳，使故障安全功能成為可能。