原创 汽车雨刷系统实现技巧

Atmel公司 Carsten Eschert

　　在目前已有的前端双雨刷系统中，左右雨刷器之间的同步采用机械连接来实现(图1)。这一做法很有必要，因为挡风玻璃上的污垢、风的影响或雨刷器的状况都会使左右雨刷器的动作不同。多年来，汽车产业一直在寻找一种能有效降低噪声和减小机械连接空间的智能解决方案。

　　一种方案就是用电子系统替代机械连接(图2)。在这种架构中，每个雨刷器都由一个直流电机驱动。直流电机由可直接安装在电机组件内部的微控制器和驱动IC来控制。用一个接口处理左右雨刷器的同步问题，因此雨刷器之间不必再使用传统雨刷系统上的机械连接，从而显著减小噪声并节省了空间。

　　由于成本的原因，雨刷系统中使用的是直流电机。支持PWM和4个功率MOSFET控制方向驱动的全H桥栅极驱动器能够控制这类电机。针对这类应用的IC必须采用高电压工艺设计，且必须适合在苛刻的环境中使用。此外，像挡风玻璃雨刷系统这样的大容量直流电机应用必须采用优化的通信接口。

　　由于雨刷的电子装置通常离车载无线电设备很近，因此，必须对EMC辐射进行控制，车载无线电的电信号中断会使汽车驾驶员难以忍受。可以采用差分串行通信接口 (SCI)收发器来减少这类辐射，改善EMC性能。SCI收发器是一种差分器件，在仅有一个雨刷器的系统中它也能以单端模式工作。栅极驱动器的SCI功能使其与LIN设备十分类似。不过与标准LIN接口相比，它的数据传输速率更快，可达100k波特。

　　每个雨刷器模块(图3)都由一个微控制器、一个高度集成的栅极驱动器和直流电机组成。由多个霍尔传感器测量两个雨刷器的位置。驱动器通过雨刷器开关将命令传至微控制器。电子装置可靠近雨刷器电机安装，因而无需很大的空间。

　　低ECU消耗电流的重要性正日渐凸显。为确保未激活IC的静态电流很低，需采用专用的唤醒和休眠模式。雨刷器应用的典型功能划分如图4所示，由微控制器、为微控制器供电的电压调节器以及其它分立元件(如霍尔传感器)组成。出于安全的考虑，需要在系统中加入一个看门狗，这是因为在雨中驾驶时，雨刷器损坏可能会导致危险。

　　为进一步防止系统出现故障，用于汽车的IC需具备许多功能，如过热关闭、过压和欠压保护以及防短路全保护，还要满足严格的车辆认证要求(防传导干扰、EMC 及ESD保护)。为解决这些问题并满足以上功能要求，Atmel公司开发了一款高度集成的栅极驱动器IC ATA6026。这款栅极驱动器IC包括一个5V/100mA电压调节器加上一个看门狗，从而减少了要求较小PCB面积的小型设计所需外部元件数，这在机电系统中十分关键。该款IC可实现运动控制，因而这项功能无需在微控制器中增加任何存储器。视窗看门狗在窗口打开期间由微控制器通过WD引脚从低电平向高电平转换而触发。如果看门狗检测到窗口错误，即在窗口打开时未触发或者在窗口关闭时错误触发，将会产生一个复位脉冲。

　　图5中的框图给出了实现的功能和典型应用的原理图。微控制器通过提供一个PWM速度信号和一个方向信号来控制IC的驱动功能。由于该芯片必须驱动外部H桥的栅极，因此它采用两个推挽式驱动器来控制被用作高端驱动器的两个外部功率NMOS FET，另外两个推挽式驱动器则用来控制被用作低端驱动器的两个外部功率NMOS FET。驱动器可与标准或逻辑电平功率NMOS FET一起使用。高端控制驱动器采用外部自举电容给栅极提供高于电池电压8V～14V的电压。逆向控制电机同样可以实现。通过利用电荷泵给高端驱动器的栅极供电，在两个方向上都有可能达到100%的占空比。为防止H桥出现高峰值电流，采用非重叠相位实现外部功率NMOS晶体管的切换。交叉导通时间由外部 RC组合电路定义。

　　低功率和低压降片上电压调节器被用于内部和外部电压源。作为功率元件的外部晶体管有助于降低功耗。在非激活状态下，器件的休眠模式可确保静态电流极低(通常为35微安)。对于6~9V的电池电压而言，调节后的输出电压为5V±10%；电池电压超过9V时，调节后的输出电压为5V±3%。为预防外部NPN管和 IC的损坏，可用一个感测电阻来检测电压调节器输出电流。如果出现过电流，则电压调节器可将电流限制到特定值。这意味着如果电压调节器的功能转变为电流调节器的功能，则输出电压将降到一个极低的值。如果出现永久的导通状态(100% PWM，不提供自举功能)，全集成充电泵仍然可以为高端驱动器外部功率MOSFET的栅极供电。此外，用于反向电池保护的外部功率NMOS的栅极可由充电泵输出供电。

　　如前文所述，ECU应用需具备休眠功能以满足低电流消耗的要求。在ATA6026的休眠模式下，可以使用引脚 EN或数据唤醒IC。仅有几个模块处于唤醒状态(带隙、带有100nF外部隔直电容的内部5V电压调节器、用于检测EN引脚阈值的输入结构和SCI接收部分的唤醒模块)。上电缺省状态为激活模式。为实现两个模式之间的转变，可采取3个步骤。除了激活/去激活EN引脚之外，还存在着通过利用SCI收发器实现唤醒功能的第二种方法。在休眠模式下，SCI收发器处于部分激活并工作在单端模式下。如果用SCI实现激活功能，则EN引脚可保持低电平而不影响激活模式。

　　由于电压调节器、运动控制功能、看门狗和通信接口都集成在采用小型QFN封装的单芯片上，系统总成本得到了降低，同时在几乎所有无需适配的电机驱动应用中，输出级都保持了即插即用的灵活性。运动控制属于IC的一部分，仅有PWM速度信号和方向信息必须由微控制器提供。两个诊断引脚可实现故障安全功能。