車(chē)身電子系統的控制電源設計

　　BCM是汽車(chē)內最重要的模塊之一。BCM被用來(lái)控制不需專(zhuān)用控制器的常用“車(chē)身”功能，包括車(chē)窗、車(chē)鏡、車(chē)門(mén)鎖和車(chē)燈控制，以及接收發(fā)自車(chē)鑰匙和胎壓監測器信息的RF接收器等功能。此外，BCM還具有通過(guò)網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)在不同模塊間傳輸數據的網(wǎng)關(guān)作用。因為BCM連接多個(gè)汽車(chē)總線(xiàn)，所以它是為汽車(chē)增加新功能的理想平臺。當汽車(chē)電子設計工程師想為汽車(chē)添加新的功能，但又沒(méi)有太多時(shí)間、空間或預算來(lái)增加新模塊時(shí)，他們?？赏ㄟ^(guò)為BCM編寫(xiě)新軟件并借助其連網(wǎng)能力來(lái)實(shí)現這些功能。

　　顯然，對BCM的需求因車(chē)而異，但一個(gè)應用趨勢是開(kāi)發(fā)一種可覆蓋多種車(chē)型的單一模塊，以便汽車(chē)制造廠(chǎng)降低開(kāi)發(fā)和維護成本。對每種車(chē)型只需進(jìn)行一些配置工作，就可在多個(gè)汽車(chē)平臺上更迅速地部署該模塊，從而縮短產(chǎn)品整體上市時(shí)間。

　　BCM的工作可大致分為兩部分：控制部分，包括MCU、傳感器輸入和車(chē)內網(wǎng)絡(luò )；電源部分，包括可提供大功率信號以驅動(dòng)各種負載的功率器件。設計電源部分時(shí)需了解用于車(chē)身電子的各種負載特性。例如，LED因其低功耗、優(yōu)異的魯棒和可靠性，所以正迅速取代白熾燈。電子馬達也用于實(shí)現升降車(chē)窗、改變座椅位置及調整車(chē)鏡等機械功能。阻性元件則被用在座椅加熱及后車(chē)窗除霜應用中。

　　將控制和電源電路整合到一個(gè)模塊需要解決一些挑戰。當BCM設計人員開(kāi)始新設計時(shí)，他們必須考慮控制和電源部分的全部可能的器件選擇，然后，在考慮了所有設計因素的情況下，決定如何將兩者結合起來(lái)以最好地滿(mǎn)足需求。設計人員在選擇合適的器件組合時(shí)，必須考慮的設計因素主要有：功耗預算、散熱、魯棒性以及成本。例如，電源部分傳統上一般只采用功率繼電器，但最近的設計已顯現出向固態(tài)方案轉變的跡象。固態(tài)電子可提供更魯棒的方案，以降低總體成本。此外，通過(guò)將這些固態(tài)器件與智能數字控制器結合起來(lái)，設計人員可實(shí)現以前不可能完成的診斷和故障防范保護功能。最終，設計人員的目標是生成一種具有成本效益、能完全滿(mǎn)足應用需要并具有高可靠性以符合嚴苛汽車(chē)標準的BCM。

　　圖1是基于NEC電子的32位MCU V850ES/Fx3的BCM原理框圖，它給出了模塊與傳感器輸、電源部分的連接。采用MCU的好處是能將控制問(wèn)題分給硬件外設和軟件算法來(lái)解決。與用硬件實(shí)現控制的方法相比，這種模塊設計方法具有更多的靈活性。此外，采用MCU還能在系統內進(jìn)行診斷（甚至實(shí)施自診斷），從而使系統更魯棒。

　　圖1：基于32位MCU V850ES/Fx3的車(chē)身控制模塊原理框圖。

　　在實(shí)現車(chē)身模塊的控制部分時(shí)，最關(guān)鍵的決策是選用一款帶合適外設、可滿(mǎn)足應用對性能和成本預算要求的MCU，比如NEC電子的V850ES/Fx3 MCU等方案。V850ES/Fx3基于V850 32位CPU內核，并針對汽車(chē)車(chē)身應用進(jìn)行了優(yōu)化。V850內核是為嵌入式系統設計的，它具有高性能處理能力、快速中斷響應速度及高效數據傳輸能力等實(shí)時(shí)性能。該內核還包括一款專(zhuān)用的、為每一個(gè)中斷源配備獨立向量的中斷控制器，從而可以快速響應各種請求。片上直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)（DMA）單元可對存儲器和系統總線(xiàn)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，可在無(wú)需CPU干預情況下進(jìn)行數據傳輸。

　　特別是，V850ES/Fx3 MCU集成了多種車(chē)身模塊特別需要的先進(jìn)外設。例如，定時(shí)器對車(chē)身應用非常重要，它被用于調度任務(wù)、捕捉RF脈沖等外部信號，更重要的是它能生成控制車(chē)內LED等所需的脈寬調制（PWM）信號。V850ES/Fx3MCU就能提供多個(gè)具有可編程能力、可運行多種模式的定時(shí)器宏，它還能同步各定時(shí)器以增加PWM能力。為滿(mǎn)足OEM對網(wǎng)絡(luò )不斷增加的需要，該MCU系列集成了5條控制器局域網(wǎng)（CAN）通道，每個(gè)通道具有獨立的信息緩存器和無(wú)需CPU干預就可以濾除信息的屏蔽寄存器。針對低速的局域互連網(wǎng)（LIN）應用，V850ES/Fx3 MCU支持8條LIN信道，并具有一個(gè)用硬件處理LIN協(xié)議的多LIN主控（MLM）單元，從而節省了CPU資源。該MCU具有多達40個(gè)模數轉換通道來(lái)處理模擬信號，這些信道具有管腳診斷、自動(dòng)放電及靈活的觸發(fā)資源。

　　除對智能片上外設的需求外，嵌入式汽車(chē)電子中一個(gè)壓倒性趨勢是使用閃存。例如，V850ES/Fx3 MCU的代碼閃存空間從6？kB到1MB，它還有其它的片上存儲器可用作數據存儲器來(lái)存儲需耐久（high-endurance）的數據。

　　車(chē)身電子應用對MCU最苛刻的要求之一是在車(chē)不發(fā)動(dòng)時(shí)MCU仍要保持工作。在此情況下，MCU必須支持待機模式，以可接收的功耗水平提供必需的功能。V850ES/Fx3 MCU擁有NEC電子的用于低功耗模式的MF2嵌入式閃存工藝技術(shù)，它能使MCU僅運行諸如內部時(shí)鐘和系統所需的周期性定時(shí)器等必需的外設，此時(shí)耗電僅為10到15uA，從而可滿(mǎn)足最苛刻的功耗要求。集高密度閃存與低漏電流邏輯雙美與一身，在使整個(gè)MCU擁有出類(lèi)拔萃性?xún)r(jià)比的同時(shí)還可降低功耗。

　電源控制

　　設計BCM模塊的第二個(gè)挑戰是生成電源部分。該部分設計與模塊必須驅動(dòng)的負載種類(lèi)息息相關(guān)。簡(jiǎn)單的LED燈是類(lèi)常見(jiàn)負載?？刂芁ED最直接的方法是利用MCU輸出腳控制LED工作電流的通斷。而利用PWM信號點(diǎn)亮LED則可帶來(lái)更愉悅的視覺(jué)觀(guān)感。利用PWM信號，允許以對人眼來(lái)看，LED似乎一直點(diǎn)亮的這樣一個(gè)頻率通斷LED。通過(guò)加大/減小占空比，設計人員可增加或減小流經(jīng)LED的平均電流以有效調節LED亮度，它類(lèi)似影劇院照明控制。采用紅、綠和藍色LED，對每色都進(jìn)行PWM控制，設計人員可生成任意色彩的復合光。該功能進(jìn)一步增加了對MCU內PWM信道的需求。

　　BCM模塊的第二類(lèi)負載是電機，例如用于熱通風(fēng)和空調系統中的風(fēng)扇電機。電機還用于調節座椅位置以及驅動(dòng)雨刷系統。與控制LED類(lèi)似，采用PWM，設計人員可有效控制調節標準直流電機的轉速。另外，用模/數轉換器采樣PWM信號使設計人員可檢測出可能的故障。在車(chē)身電子應用中，會(huì )用到各種電機。它們包括有刷直流、無(wú)刷直流甚至三相電機。每種電機要求獨特的控制特性，在設計電源部分時(shí)，必須將此要求考慮在內。

　　車(chē)身電子中的第三類(lèi)負載是加熱元件，例如，用于加熱座椅產(chǎn)生熱能的發(fā)熱元件。為有效加熱，這些大功率電阻要求車(chē)身模塊能提供足夠電流。傳統上，采用簡(jiǎn)單的12V繼電器為大功率應用提供所需電流。繼電器是又大又重的機電器件，且不如全電子方案可靠，對車(chē)用器件來(lái)說(shuō)這是個(gè)致命短板。鑒于這些缺陷，已用功率MOSFET取代某些傳統的繼電器應用，MOSFET是為傳遞大電流設計的，是種完全的固態(tài)方案。MOSFET解決了繼電器存在的體積、重量和可靠性問(wèn)題。為該固態(tài)開(kāi)關(guān)增添智能將進(jìn)一步強化其功能，此時(shí)，它也被稱(chēng)為智能功率器件或IPD。典型的IPD在單一封裝內同時(shí)整合了功率MOSFET和控制電路。與MOSFET一樣，IPD是替換典型繼電器的更小、更輕、功耗更低的器件。IPD集MOSFET的大電流和高可靠性與熱失控和短路保護和診斷等特性與一身，是比MOSFET更優(yōu)異的產(chǎn)品。

　　圖3顯示的是一款帶內置短路和過(guò)熱保護及負載電流感應的高端IPD。另外，為減少模塊內的EMI，IPD具有限制輸出電流快速波動(dòng)的開(kāi)關(guān)控制功能。

　　此類(lèi)IPD常用于在諸如車(chē)內外燈照明和加熱等車(chē)身應用中替代繼電器（圖4）?；贗PD裸片的小尺寸，一個(gè)四路IPD模塊可替代4個(gè)標準繼電器。在這種情況下，驅動(dòng)剎車(chē)和轉向信號燈的4個(gè)繼電器可被一個(gè)IPD模塊代替。另外，因IPD比繼電器各個(gè)維度都小巧，ECU工程師可減小PCB和整個(gè)模塊的體積。減少模塊體積和器件數加之采用IPD帶來(lái)的增加了的可靠性，可生產(chǎn)出質(zhì)量更高及更具成本效益的產(chǎn)品。

　　因IPD對許多設計人員來(lái)說(shuō)是種相對新的產(chǎn)品，當決策到底該采用哪類(lèi)產(chǎn)品時(shí)，了解其主要特性是重要的。典型情況，是確定IPD在多大電壓下，要能提供多大電流。許多供應商將首先根據這些參數排列其器件。一旦做出該決定，則當選擇一款具體IPD時(shí)，還有其它若干因素要考量。如以前提到的，IPD可為控制單元提供診斷數據?？赏ㄟ^(guò)諸如串行外設接口（SPI）等網(wǎng)絡(luò )協(xié)議或獨立端口通信來(lái)實(shí)現診斷數據傳輸。對具有SPI總線(xiàn)的系統來(lái)說(shuō)，SPI連接很方便。但，對需要以快于SPI能提供的速度接收IPD反饋信號的系統來(lái)說(shuō)，標準端口信號不失為上佳選擇。有支持這兩種方式的IPD，所以，模塊設計人員必須考慮總體系統需求來(lái)選出最適合的通信方法。

　　導通電阻，有時(shí)寫(xiě)作R（ON），是器件工作時(shí)，其兩端的等效電阻。大的導通電阻會(huì )帶來(lái)許多問(wèn)題，它會(huì )在器件兩端造成顯著(zhù)壓降、導致更大功耗，并因此加大器件發(fā)熱。為解決此問(wèn)題，目前生產(chǎn)的器件的R（ON）值可低達8mΩ。當選擇IPD時(shí)，設計人員會(huì )一如既往地選擇可滿(mǎn)足系統要求具有最低R（ON）的器件。另一個(gè)應考慮的重要因素是控制電路與模擬電源部分的連接。有兩種常用IPD：?jiǎn)位投嗷螒B(tài)。在單基IPD內，其控制和電源部分是做在同一片硅基上的。在多基片IPD中，控制和電源分做在不同硅基上。之所以有這兩種方式，原因在各自所需的底層技術(shù)。高密度邏輯所需的工藝技術(shù)無(wú)法提供大電流，從而要采用多基片技術(shù)來(lái)實(shí)現大電流器件。當電流要求不很高時(shí)，可用相同技術(shù)設計電源和邏輯，設計人員可免除兩個(gè)不同基片帶來(lái)的復雜性和成本以及隨后的綁定和封裝問(wèn)題。雖然單基和多基方案的選擇通常是由IPD供應商決定的，設計人員應一直意識到所采用的具體工藝技術(shù)以確保器件滿(mǎn)足需求。

　　最后，封裝也很重要。目前，在用越來(lái)越精微的工藝制造IPD，從而允許更小的封裝并支持多通道封裝。設計人員幾乎總在尋求最小的封裝，且不放過(guò)任何有可能用多通道封裝取代多個(gè)IPD的機會(huì )。

　　總之，為設計一個(gè)可靠、具成本效益的系統，需要把握設計的兩個(gè)主要部分——控制和電源。為了這兩個(gè)部分能在整個(gè)系統內最好地配合工作，在為它們選擇器件時(shí)，要應對各自面臨的挑戰。