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一文了解汽车电子系统车门控制系统设计

2020-9-26 14:03:34 显示全部楼层
借助应用特定的 IC 简化车门电子系统设计                       
作者:Steven Keeping/Digi-Key

到 2030 年,电子系统将占一辆汽车成本的 50%,其中电子产品的增长领域之一就是车门。车门电子系统设计是一项挑战;每个车门都需要控制器、控制器区域网络 (CAN),或者连接至其余车辆系统的本地互连网络 (LIN) 收发器,以及多个电机驱动器和稳压器。在设计导入时,这些器件和网络可能会变得复杂、昂贵、笨重且耗时,因此设计人员正在寻找简化应用和物料清单 (BOM) 的方法。
应用特定的标准产品 (ASSP) 能专门针对汽车应用而设计,可减轻设计人员的工作。此外,这些解决方案使设计人员可以根据设计的复杂性和成本限制,采用集中式或分散式方法来设计车门电子系统。
本文介绍了联网车门电子系统的发展,并阐述了集中式和分散式方法各自的优缺点。然后,本文将探讨如何使用 ASSP 来简化集中式设计中的单个车身控制单元 (BCU) 的设计,或分散式设计中每个车门的各个 BCU 的设计。本文还将讨论如何通过 CAN 和 LIN 解决方案将这些方法集成到汽车的车载网络 (IVN) 中。我们将以来自 ON Semiconductor 的解决方案为例。

汽车电子系统和网络功能的发展

随着 70 年代燃油喷射装置开始取代化油器,汽车电子系统开始需要发动机控制单元 (ECU) 来管理燃油喷射装置。从那时起,电子系统迅速激增。现在,高档汽车在四个关键领域拥有全面的电子系统:
  • 动力总成(发动机控制、变速器控制、起动器/交流发电机)
  • 车身和舒适性(照明、空调系统、座椅和车门、遥控无钥匙进入)
  • 安全性(ABS、转向助力、安全气囊、驾驶辅助)
  • 信息娱乐(导航、音频、多媒体、蜂窝连接、蓝牙、远程信息处理、仪表盘)
这些系统全都使用专用的计算模块,各个模块通过基于 CAN 和/或 LIN 技术的 IVN 链接。
CAN 是一种车辆总线标准,旨在允许计算模块和传感器/执行器进行通信,而无需主机。该标准会对连接进行优先级排序,从而在多个设备同时传输的情况下,优先处理最重要的设备以避免争用问题,并确保关键功能不会延迟。CAN 太过昂贵,无法用于连接车辆中每个电子元器件,因此通常搭配使用 LIN,以将所有器件添加至 IVN。为了实现通常与乘客舒适性相关的非时间关键功能,LIN 会使用复杂性和成本更低的串行链接技术。
本文重点介绍与车门相关的电子系统。像汽车的其他部分一样,为了方便驾驶员,车门使用的电子设备也越来越多。
大多数现代汽车都有电子控制的车窗、门锁和后视镜,最近还引入了防夹伤等功能。豪华车则配有外后视镜除霜功能、外后视镜镶嵌转向灯和迎宾灯。下一代高端车型将包括电致变色后视镜控制功能,可根据其他车辆的车灯亮度使侧后视镜变暗。

分散式与集中式汽车电子控制
车门电子系统的集中式拓扑结构是当前最常用的方法,尤其对于车门功能有限的低成本汽车。BCU 是一个由 INV 系统、微处理器、执行器驱动器和分立元器件组成的模块,通过载电线以及单独的 CAN 或 LIN 通信接线与每个车门中的执行器相连。这种方法的主要优点是成本(仅需要一个 BCU)和可扩展性(图 1)。
图 1:集中式车门电子系统通过使用单个 BCU 节省成本。(图片来源:ON Semiconductor)
但是,集中式拓扑结构在高档车中逐渐失宠,因为它们对功能的要求更高,而这又需要更多的布线。结果,线束变得笨重、复杂且昂贵。
另一种选择是分散式方法,即每个车门配备自己的 BCU。在这种实现方式中,大多数布线都在局部,只需为 BCU 提供一个电源(然后 BCU 从局部将电源分配给各车门执行器),并通过 CAN 和/或 LIN 连接延伸到车辆的其余部分。主要优点是线束的重量、复杂性和成本大幅降低,并且 BCU 的设计灵活性使其能够适配特殊车门。例如,前门 BCU 需要附加功能,才能协助外后视镜工作(图 2)。
图 2:分散式系统减少了线束的重量并降低复杂性。(图片来源:ON Semiconductor)
尽管分散式拓扑结构越来越流行,但也并不表示集中式方法会退出市场失。要选择哪种设计方法,这在很大程度上取决于成本与线束复杂度之间的权衡。
供应商提供的解决方案可简化分散式或集中式解决方案的设计。例如,ON Semiconductor 提供各种用于车门电子系统的 ASIC、ASSP 和分立元器件;然后,设计人员可以自由选择自己喜欢的微控制器(图 3)。
图 3:ON Semiconductor 提供了一系列用于分散式和集中式 BCU 的 ASIC、ASSP 和分立解决方案,让设计人员可以自由选择自己喜欢的微控制器。(图片来源:ON Semiconductor)
车载网络
无论设计人员选择分散式还是集中式车门电子控制系统设计,他们都需要确保将 BCU 集成到 IVN 中。通过将 CAN 控制器与 CAN 收发器配对,可以形成控制器与物理总线之间的接口,从而简化 CAN 连接。ON Semiconductor 的 NCV7341D21R2G 就是其中一款适用于汽车应用的 CAN 收发器示例。这是一款速度高达 1 Mbit/s 的 CAN 器件。该芯片配备差分接收器,具有高共模范围,可在苛刻的汽车环境中提供良好的电磁抗扰度 (EMI)。此外,该芯片的总线引脚还具有电压瞬变保护功能,以免因电压瞬变而扰乱汽车电气系统(图 4)。
图 4:配备 5 V CAN 控制器的 NCV7341D21R2G CAN 收发器典型应用原理图。无论对于分散式还是集中式车门系统,该收发器都是连接到 IVN 的理想选择。(图片来源:ON Semiconductor)
分散式系统不仅需要 CAN 连接到 IVN,而且需要前后 BCU 之间的 LIN 连接,如图 2 所示。前门 BCU 连接到 CAN,但为节省成本和布线,后门 BCU 通过 LIN 以菊花链方式连接至前门 BCU。LIN 的特点是单线连接至每个节点,从而简化布线并降低成本。尽管吞吐量限制为最大 20 kb/s,但这足以控制门锁、车窗和外后视镜等设备。
对于车门安装电子设备的 LIN 连接,ON Semiconductor 的 NCV7321D12R2G LIN 收发器是理想的选择。该芯片包含 LIN 发射器、LIN 接收器、上电复位 (POR) 电路、热关断和四种工作模式(未通电、待机、正常和睡眠)。这些模式由供电电压(VBB,5 至 27 V)、输入信号使能 (EN) 和 WAKE,以及 LIN 总线上的活动来确定。该收发器经过优化,可实现最大吞吐量,并且由于 LIN 输出的低压摆率,具有良好的 EMI 特性。
LIN 拓扑使用单个主节点来控制一系列多达 16 个从节点。在分散式系统中,前门和后门 BCU 包含一个主节点,而诸如车窗控制面板等外设包含从节点,请参见图 2。主节点将 LIN 收发器与合适的微控制器配对(图 5)。
图 5:主节点配置中 NCV7321D12R2G LIN 收发器的典型应用原理图。每个主节点可控制多达 16 个从节点。(图片来源:ON Semiconductor)
车门执行器驱动器
对于分散式或集中式拓扑,BCU 的其他关键元器件是执行器驱动器。驱动器是为门锁、后视镜、车窗和其他系统提供动力的必需器件。ON Semiconductor 提供了一款三重半桥驱动器 NCV7703CD2R2G,其专门设计用于这些汽车和工业运动控制应用。这三个半桥驱动器可通过标准串行外设接口 (SPI) 进行独立控制,并提供 500 mA 的典型输出和 1.1 A 的最大输出。该芯片的供电电压为 3.15 至 5.25 V,负载电压为 5.5 至 40 V。
一个关键的设计限制是最高芯片温度。芯片温度不能超过 150°C,即使这会限制该器件的三个驱动器可同时使用的数量。
输出驱动控制(和故障报告)通过 SPI 端口进行处理。EN 功能提供了器件不使用时的低静态电流休眠模式,并且 EN、SI 和 SCLK 输入上提供有下拉电阻,以确保它们在输入信号中断时默认处于低功耗状态。
图 6 显示了如何在外后视镜调节系统中使用 NCV7703CD2R2G 三重半桥驱动器。在这种布置中,来自三个半桥驱动器的输出为两个电机提供动力,以在 X 和 Y 方向上移动后视镜。
图 6:此框图显示外后视镜调节应用中 ON Semiconductor 的 NCV7703CD2R2G 三重半桥驱动器,其中说明来自三个半桥驱动器的输出如何为两个电机提供动力,以在 X 和 Y 方向上移动后视镜。(图片来源:ON Semiconductor)
单个微处理器可用于控制多个 NCV7703CD2R2G 三重半桥驱动器,从而减少了车门电子系统的 BOM。要达到此目的,最有效的方法是使驱动器与每个采用多路复用控制的设备并行操作。
在串行配置中,串行串中最后一个器件的编程信息必须首先通过所有先前的器件。并行控制拓扑消除了这一要求,但代价是将处理器选择范围缩小为:器件具有对应于每个驱动器的片选 (CSB) 引脚。然后,串行数据仅由通过其各自的 CSB 引脚激活的器件识别(图 7)。
图 7:通过使用单个微处理器控制多个三重半桥驱动器,可以降低车门电子系统的 BOM 成本。(图片来源:ON Semiconductor)
NCV7703CD2R2G 三重半桥驱动器需要在电源输入端进行 5 V 调压,以实现内部操作。ON Semiconductor 的 NCV8518BPWR2G 线性稳压器是满足此要求的理想选择。该芯片具有 5 V 固定输出,可在 ±2% 的范围内进行调节。该器件适用于所有汽车环境,典型的低压差为 425 mV,低静态电流为 100 µA。安全功能包括热关断、短路保护,以及能够承受高达 45 V 瞬态电压。该线性稳压器还可用于为 BCU 的微处理器供电(图 8)。
图 8:NCV8518BPWR2G 线性稳压器非常适合为 BCU 上的执行器驱动器和微处理器提供 5 V 输出。(图片来源:ON Semiconductor)
对于要求成本更低的车门电子系统零件,另一种线性稳压器选择是 NCV8184DR2G。该芯片可提供 -3.0 至 45 V 之间的可调缓冲输出电压,并且会紧跟 (±3.0 mV) 基准输入。工作电压为 4.0 至 42 V。
NCV8184DR2G 的一个很有用功能是,在常规配置中,它可以承受汽车电池短路的影响而不会损坏(图 9)。当由较低电压的隔离电源供电时,该芯片同样可承受电池短路。
图 9:NCV8184DR2G 是低成本 BCU 电压调节选择,可以承受汽车电池短路。(图片来源:ON Semiconductor)
分立元器件
除了用于 IVN、执行器驱动器和电压调节的单片器件外,ON Semiconductor 还提供一系列用于车门电子系统的分立元器件,例如汽车级齐纳二极管。这些器件提供瞬态电压抑制 (TVS) 功能,可防止 BCU 中的敏感硅元件因雷击和静电放电 (ESD) 等外部因素引起的电压尖峰而受损。(有关汽车电子系统保护的更多信息,请参见 Digi-Key 文库文章《设计导入 TVS 二极管保护提升了 CAN 总线可靠性》。)
齐纳二极管的第二个应用是与电阻器和 MOSFET 相结合,构成廉价、紧凑型线性稳压器的基础。线性稳压器可以由分立元器件组装而成,用于调节来自汽车电池的供电电压,以便为执行器前级驱动器和驱动器供电(图 10)。汽车电池可提供约 14 V 的电压,而 NCV7703CD2R2G 三重半桥驱动器的供电电压 (VS) 可介于 5.5 V 和 40 V 之间。当汽车电池输出的电压发生变化时,这种简单而廉价的齐纳二极管线性稳压器可为车门电子系统保持稳定的电压。
图 10:车门电子系统 BCU 的一部分显示了由分立元器件组装而成的线性稳压器(突出显示)。该器件将汽车电池电压 (Vbat) 调节为执行器电桥所需的供电电压 (VS)。(图片来源:ON Semiconductor)
此应用的合适齐纳二极管是 ON Semiconductor 的 SZBZX84C5V1LT3G。这是以紧凑型 SOT-23 封装提供的汽车 (AEC-Q101) 级齐纳二极管。这些器件可在最小空间要求的情况下提供电压调节功能。该齐纳二极管的最大功耗为 250 mW,齐纳击穿电压能力范围为 2.4 至 75 V,具体取决于所选的元器件。
完整的稳压器需要一个电阻来限制流过齐纳二极管的电流。为了进行调节,选择的电阻应允许足够的电流流向负载和齐纳,但又不能太多。该齐纳稳压器具有高源阻抗,因为所有负载电流都必须流过限流电阻,从而限制了稳压器可以提供给负载的电流量。通过使用源极跟随器(如图 10 中所示的 MOSFET)来缓冲齐纳二极管的输出,可以克服此限制。

总结
随着汽车制造商在车辆中增加更多功能,车门电子系统变得越来越复杂。这种趋势使工程师更加难以设计出满足严格的成本、重量、空间和可靠性限制的系统。
如上所述,为满足汽车标准而设计的 ASIC、ASSP 和分立元器件可以相互补充,从而减轻设计难题,并允许采用模块化方法进行车门电子系统设计。这样的方法可以在保持优异性能和可靠性的同时,更轻松地满足规格和 BOM 限制。

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