面向電動(dòng)車(chē)窗/天窗應用的集成嵌入式功率半導體

推動(dòng)電動(dòng)車(chē)窗電控單元采用高度集成解決方案的因素

　　如今，電動(dòng)車(chē)窗已成為汽車(chē)標準功能之一。即使在成本至上的新興市場(chǎng)，它也是影響購車(chē)者決定的最重要因素之一。多數購車(chē)者都將電動(dòng)車(chē)窗視為必備的舒適功能，因此汽車(chē)廠(chǎng)商都將其作為一種基本功能。

　　當前車(chē)門(mén)正沿著(zhù)模塊化、輕型化方向發(fā)展，另一個(gè)發(fā)展趨勢是加裝側安全氣囊。隨著(zhù)車(chē)門(mén)結構發(fā)生變化，車(chē)門(mén)腰線(xiàn)的負載規格也相應提高，以實(shí)現出色的碰撞性能。性能的增強與添加安全氣囊極大刺激了對小尺寸車(chē)門(mén)/電動(dòng)車(chē)窗ECU（電控單元）的需求。更高的半導體集成度是管理防夾等復雜功能的關(guān)鍵，同時(shí)也滿(mǎn)足了小型、輕量要求。

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

ePower TLE7810G的優(yōu)勢

　　英飛凌提供的嵌入式功率（ePower）半導體TLE7810G主要應用于電動(dòng)車(chē)窗，采用單一封裝，內含兼容標準8051內核的8位微控制器，同時(shí)搭載片上調試支持和系統基礎芯片（SBC）。SBC搭載符合LIN2.0/ SAEJ2602標準的LIN收發(fā)器、低壓降穩壓器與兩個(gè)低側開(kāi)關(guān)（繼電器驅動(dòng)器）和為外部霍爾傳感器供電的電源，另外還提供高側驅動(dòng)器，用于驅動(dòng)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(guò)專(zhuān)門(mén)設計，適用于嚴酷的汽車(chē)環(huán)境。

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

　　車(chē)窗升降器屬于高電流裝置，而目前的乘用車(chē)大部分仍采用繼電器驅動(dòng)電動(dòng)車(chē)窗電機。為了滿(mǎn)足這種情況，TLE7810G內嵌兩個(gè)繼電驅動(dòng)器，控制驅動(dòng)電動(dòng)車(chē)窗電機的外部繼電器。

　　此外，TLE7810G還集成了LDO（低壓降）穩壓器，負責為霍爾傳感器供電?；魻杺鞲衅魍ǔ０惭b在車(chē)窗防夾系統內，用于檢測車(chē)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?。同時(shí)，芯片的靜態(tài)電流消耗極低，可滿(mǎn)足現今電動(dòng)車(chē)窗/車(chē)門(mén)模塊的苛刻要求。

　　這類(lèi)芯片還內嵌LIN收發(fā)器，以滿(mǎn)足逐漸流行的分散式架構要求，即每個(gè)車(chē)窗由專(zhuān)門(mén)的ECU控制。通過(guò)連接LIN總線(xiàn)，可實(shí)現分散式模塊方案，從而大幅減少布線(xiàn)數量和整體重量。

圖 2 顯示分散式車(chē)身控制架構

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

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

需要滿(mǎn)足的主要技術(shù)要求
防夾與車(chē)窗位置存儲處理

　　防夾是電動(dòng)車(chē)窗的重要安全要求，必須保證在車(chē)輛發(fā)生故障情況下仍能正確運行，特別是在電動(dòng)車(chē)窗升降時(shí)，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行，系統再次啟動(dòng)時(shí)，必須知道車(chē)窗的正確位置。因此，在電源關(guān)閉之前，系統必須在極端時(shí)間內存儲最后的車(chē)窗位置。

　　通常情況下，防夾機制取決于車(chē)窗的位置。舉例來(lái)說(shuō)，如果車(chē)窗在完全打開(kāi)后升起，只要偵測到防夾情況，車(chē)窗就會(huì )停止移動(dòng)。但若車(chē)窗上升的空間少于250毫米，車(chē)窗必須停止并下降100毫米。為了讓車(chē)窗正確關(guān)閉，當車(chē)窗上升的空間不足4毫米時(shí)，將不啟動(dòng)防夾偵測。

　　受到機械系統內能量的影響，從關(guān)閉電動(dòng)車(chē)窗電機到車(chē)窗完全停止運動(dòng)，需要50毫秒時(shí)間。在此期間，ePower必須監控霍爾傳感器，并在電源關(guān)閉前存儲車(chē)窗最后的位置信息。同時(shí)，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(shí)間、電流消耗和應用的電壓需求，這是系統開(kāi)始關(guān)閉時(shí)的電壓水平與低電壓重置時(shí)的電壓水平的差別。TLE7810G經(jīng)過(guò)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(dòng)模式下，通常仍需將車(chē)窗穩壓器ECU的電耗降低至幾百微安。這是因為駕駛員關(guān)閉引擎時(shí)，車(chē)鑰匙仍處于通電位置，電動(dòng)車(chē)窗和防夾功能仍可運行，最好能盡量降低電流的消耗。

　　為實(shí)現這一點(diǎn)，應當定期喚醒控制器在活動(dòng)模式下運行，但在較長(cháng)時(shí)間內具備低功耗。利用TLE7810G的低功耗模式可實(shí)現這一點(diǎn)。TLE7810G的規格定義為：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。當微控制器處于省電模式時(shí)，消耗的電流最低。核心組件與外設均不運行。通過(guò)外部中斷可喚醒微控制器（使用或不使用重置）。因此，SBC可定期生成這種內部“喚醒”信號，使微控制器能夠返回活動(dòng)模式，為其應用提供支持?？偣募s為：30uA + 80uA = 110uA。關(guān)鍵特性是LIN或監控器管腳喚醒及其它定期喚醒功能，做到主動(dòng)監控其它信號或輸入。

未來(lái)展望

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

　　防夾軟件在苛刻的汽車(chē)環(huán)境中，具備更高的智能性、強健性和適應性。TLE7810G具備可擴展性，閃存可由16KB、24KB增大至32KB。如要通過(guò)升級軟件提高防夾功能，可利用單線(xiàn)LIN支持LIN BSL（引導加載）下載程序。

結語(yǔ)

　　迄今為止，在亞太地區，尤其在中國，乘用車(chē)車(chē)門(mén)模塊與天窗模塊已越來(lái)越普及。根據當地市場(chǎng)數據顯示，天窗模塊的銷(xiāo)量在近年來(lái)大幅攀升，主要是因為許多購買(mǎi)私家車(chē)的年輕人認為電動(dòng)天窗能體現時(shí)尚生活風(fēng)格。2004年，出于安全考慮，中國政府禁止改裝電動(dòng)天窗，此舉也造成OEM市場(chǎng)在中國蓬勃發(fā)展。

　　支持高度集成解決方案和可擴展器件系列的嵌入式功率半導體具備多種優(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(jiǎn)化設計，縮短上市時(shí)間。