《電子技術(shù)應(yīng)用》
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NEC電子車身電子系統(tǒng)的控制電源設(shè)計

2011-01-17
作者:Adam Prengler

  隨著對更多功能及更高可靠性的需求持續(xù)增長,,汽車電子的種類和復(fù)雜性也在迅速增加,。汽車內(nèi)有許多種電子子系統(tǒng),比如底盤電子,、駕駛員信息電子和車身電子,。車身電子子系統(tǒng)提供座椅調(diào)節(jié)、車內(nèi)照明和雨刷等功能,。智能化設(shè)計使得車身控制模塊(BCM)能更有效,、可靠地驅(qū)動負載。

  BCM是汽車內(nèi)最重要的模塊之一,。BCM被用來控制不需專用控制器的常用“車身”功能,,包括車窗、車鏡,、車門鎖和車燈控制,,以及接收發(fā)自車鑰匙和胎壓監(jiān)測器信息的RF接收器等功能。此外,,BCM還具有通過網(wǎng)絡(luò)總線在不同模塊間傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)作用,。因為BCM連接多個汽車總線,所以它是為汽車增加新功能的理想平臺,。當(dāng)汽車電子設(shè)計工程師想為汽車添加新的功能,,但又沒有太多時間、空間或預(yù)算來增加新模塊時,,他們??赏ㄟ^為BCM編寫新軟件并借助其連網(wǎng)能力來實現(xiàn)這些功能,。

  顯然,對BCM的需求因車而異,,但一個應(yīng)用趨勢是開發(fā)一種可覆蓋多種車型的單一模塊,,以便汽車制造廠降低開發(fā)和維護成本。對每種車型只需進行一些配置工作,,就可在多個汽車平臺上更迅速地部署該模塊,,從而縮短產(chǎn)品整體上市時間。

  BCM的工作可大致分為兩部分:控制部分,,包括MCU,、傳感器輸入和車內(nèi)網(wǎng)絡(luò);電源部分,,包括可提供大功率信號以驅(qū)動各種負載的功率器件,。設(shè)計電源部分時需了解用于車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,。電子馬達也用于實現(xiàn)升降車窗、改變座椅位置及調(diào)整車鏡等機械功能,。阻性元件則被用在座椅加熱及后車窗除霜應(yīng)用中,。

  將控制和電源電路整合到一個模塊需要解決一些挑戰(zhàn)。當(dāng)BCM設(shè)計人員開始新設(shè)計時,,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(shè)計因素的情況下,,決定如何將兩者結(jié)合起來以最好地滿足需求,。設(shè)計人員在選擇合適的器件組合時,必須考慮的設(shè)計因素主要有:功耗預(yù)算,、散熱,、魯棒性以及成本。例如,,電源部分傳統(tǒng)上一般只采用功率繼電器,,但最近的設(shè)計已顯現(xiàn)出向固態(tài)方案轉(zhuǎn)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,通過將這些固態(tài)器件與智能數(shù)字控制器結(jié)合起來,,設(shè)計人員可實現(xiàn)以前不可能完成的診斷和故障防范保護功能,。最終,,設(shè)計人員的目標(biāo)是生成一種具有成本效益、能完全滿足應(yīng)用需要并具有高可靠性以符合嚴苛汽車標(biāo)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題分給硬件外設(shè)和軟件算法來解決,。與用硬件實現(xiàn)控制的方法相比,這種模塊設(shè)計方法具有更多的靈活性,。此外,,采用MCU還能在系統(tǒng)內(nèi)進行診斷(甚至實施自診斷),從而使系統(tǒng)更魯棒,。

  

  圖1:基于32位MCU V850ES/Fx3的車身控制模塊原理框圖,。

  在實現(xiàn)車身模塊的控制部分時,最關(guān)鍵的決策是選用一款帶合適外設(shè),、可滿足應(yīng)用對性能和成本預(yù)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(nèi)核,,并針對汽車車身應(yīng)用進行了優(yōu)化,。V850內(nèi)核是為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的,它具有高性能處理能力,、快速中斷響應(yīng)速度及高效數(shù)據(jù)傳輸能力等實時性能,。該內(nèi)核還包括一款專用的、為每一個中斷源配備獨立向量的中斷控制器,,從而可以快速響應(yīng)各種請求,。片上直接存儲器訪問(DMA)單元可對存儲器和系統(tǒng)總線進行訪問,可在無需CPU干預(yù)情況下進行數(shù)據(jù)傳輸,。

  特別是,,V850ES/Fx3 MCU集成了多種車身模塊特別需要的先進外設(shè)。例如,,定時器對車身應(yīng)用非常重要,,它被用于調(diào)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內(nèi)LED等所需的脈寬調(diào)制(PWM)信號,。V850ES/Fx3 MCU就能提供多個具有可編程能力、可運行多種模式的定時器宏,,它還能同步各定時器以增加PWM能力,。為滿足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,,每個通道具有獨立的信息緩存器和無需CPU干預(yù)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(yīng)用,,V850ES/Fx3 MCU支持8條LIN信道,并具有一個用硬件處理LIN協(xié)議的多LIN主控(MLM)單元,,從而節(jié)省了CPU資源,。該MCU具有多達40個模數(shù)轉(zhuǎn)換通道來處理模擬信號,這些信道具有管腳診斷,、自動放電及靈活的觸發(fā)資源,。

  

  除對智能片上外設(shè)的需求外,嵌入式汽車電子中一個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(shù)據(jù)存儲器來存儲需耐久(high-endurance)的數(shù)據(jù),。

  車身電子應(yīng)用對MCU最苛刻的要求之一是在車不發(fā)動時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(nèi)部時鐘和系統(tǒng)所需的周期性定時器等必需的外設(shè),,此時耗電僅為10到15uA,從而可滿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MCU擁有出類拔萃性價比的同時還可降低功耗。

  隨著對更多功能及更高可靠性的需求持續(xù)增長,,汽車電子的種類和復(fù)雜性也在迅速增加。汽車內(nèi)有許多種電子子系統(tǒng),,比如底盤電子,、駕駛員信息電子和車身電子。車身電子子系統(tǒng)提供座椅調(diào)節(jié),、車內(nèi)照明和雨刷等功能,。智能化設(shè)計使得車身控制模塊(BCM)能更有效、可靠地驅(qū)動負載,。

  BCM是汽車內(nèi)最重要的模塊之一,。BCM被用來控制不需專用控制器的常用“車身”功能,包括車窗,、車鏡,、車門鎖和車燈控制,以及接收發(fā)自車鑰匙和胎壓監(jiān)測器信息的RF接收器等功能,。此外,,BCM還具有通過網(wǎng)絡(luò)總線在不同模塊間傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)作用,。因為BCM連接多個汽車總線,所以它是為汽車增加新功能的理想平臺,。當(dāng)汽車電子設(shè)計工程師想為汽車添加新的功能,,但又沒有太多時間、空間或預(yù)算來增加新模塊時,,他們??赏ㄟ^為BCM編寫新軟件并借助其連網(wǎng)能力來實現(xiàn)這些功能。

  顯然,,對BCM的需求因車而異,,但一個應(yīng)用趨勢是開發(fā)一種可覆蓋多種車型的單一模塊,以便汽車制造廠降低開發(fā)和維護成本,。對每種車型只需進行一些配置工作,,就可在多個汽車平臺上更迅速地部署該模塊,從而縮短產(chǎn)品整體上市時間,。

  BCM的工作可大致分為兩部分:控制部分,,包括MCU、傳感器輸入和車內(nèi)網(wǎng)絡(luò),;電源部分,,包括可提供大功率信號以驅(qū)動各種負載的功率器件。設(shè)計電源部分時需了解用于車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,。電子馬達也用于實現(xiàn)升降車窗、改變座椅位置及調(diào)整車鏡等機械功能,。阻性元件則被用在座椅加熱及后車窗除霜應(yīng)用中,。

  將控制和電源電路整合到一個模塊需要解決一些挑戰(zhàn)。當(dāng)BCM設(shè)計人員開始新設(shè)計時,,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(shè)計因素的情況下,,決定如何將兩者結(jié)合起來以最好地滿足需求,。設(shè)計人員在選擇合適的器件組合時,必須考慮的設(shè)計因素主要有:功耗預(yù)算,、散熱,、魯棒性以及成本。例如,電源部分傳統(tǒng)上一般只采用功率繼電器,,但最近的設(shè)計已顯現(xiàn)出向固態(tài)方案轉(zhuǎn)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,,通過將這些固態(tài)器件與智能數(shù)字控制器結(jié)合起來,設(shè)計人員可實現(xiàn)以前不可能完成的診斷和故障防范保護功能,。最終,,設(shè)計人員的目標(biāo)是生成一種具有成本效益、能完全滿足應(yīng)用需要并具有高可靠性以符合嚴苛汽車標(biāo)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題分給硬件外設(shè)和軟件算法來解決,。與用硬件實現(xiàn)控制的方法相比,這種模塊設(shè)計方法具有更多的靈活性,。此外,,采用MCU還能在系統(tǒng)內(nèi)進行診斷(甚至實施自診斷),從而使系統(tǒng)更魯棒,。

  

  圖1:基于32位MCU V850ES/Fx3的車身控制模塊原理框圖,。

  在實現(xiàn)車身模塊的控制部分時,最關(guān)鍵的決策是選用一款帶合適外設(shè),、可滿足應(yīng)用對性能和成本預(yù)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(nèi)核,,并針對汽車車身應(yīng)用進行了優(yōu)化,。V850內(nèi)核是為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的,它具有高性能處理能力,、快速中斷響應(yīng)速度及高效數(shù)據(jù)傳輸能力等實時性能,。該內(nèi)核還包括一款專用的、為每一個中斷源配備獨立向量的中斷控制器,,從而可以快速響應(yīng)各種請求,。片上直接存儲器訪問(DMA)單元可對存儲器和系統(tǒng)總線進行訪問,,可在無需CPU干預(yù)情況下進行數(shù)據(jù)傳輸,。

  特別是,V850ES/Fx3 MCU集成了多種車身模塊特別需要的先進外設(shè),。例如,,定時器對車身應(yīng)用非常重要,它被用于調(diào)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內(nèi)LED等所需的脈寬調(diào)制(PWM)信號,。V850ES/Fx3 MCU就能提供多個具有可編程能力、可運行多種模式的定時器宏,,它還能同步各定時器以增加PWM能力,。為滿足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,,每個通道具有獨立的信息緩存器和無需CPU干預(yù)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(yīng)用,V850ES/Fx3 MCU支持8條LIN信道,,并具有一個用硬件處理LIN協(xié)議的多LIN主控(MLM)單元,,從而節(jié)省了CPU資源。該MCU具有多達40個模數(shù)轉(zhuǎn)換通道來處理模擬信號,,這些信道具有管腳診斷,、自動放電及靈活的觸發(fā)資源。

  

  除對智能片上外設(shè)的需求外,,嵌入式汽車電子中一個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(shù)據(jù)存儲器來存儲需耐久(high-endurance)的數(shù)據(jù)。

  車身電子應(yīng)用對MCU最苛刻的要求之一是在車不發(fā)動時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(nèi)部時鐘和系統(tǒng)所需的周期性定時器等必需的外設(shè),此時耗電僅為10到15uA,,從而可滿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MCU擁有出類拔萃性價比的同時還可降低功耗,。

  電源控制

  設(shè)計BCM模塊的第二個挑戰(zhàn)是生成電源部分,。該部分設(shè)計與模塊必須驅(qū)動的負載種類息息相關(guān)。簡單的LED燈是類常見負載,??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信號點亮LED則可帶來更愉悅的視覺觀感,。利用PWM信號,,允許以對人眼來看,LED似乎一直點亮的這樣一個頻率通斷LED。通過加大/減小占空比,,設(shè)計人員可增加或減小流經(jīng)LED的平均電流以有效調(diào)節(jié)LED亮度,,它類似影劇院照明控制。采用紅,、綠和藍色LED,,對每色都進行PWM控制,設(shè)計人員可生成任意色彩的復(fù)合光,。該功能進一步增加了對MCU內(nèi)PWM信道的需求,。

  BCM模塊的第二類負載是電機,例如用于熱通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)中的風(fēng)扇電機,。電機還用于調(diào)節(jié)座椅位置以及驅(qū)動雨刷系統(tǒng),。與控制LED類似,采用PWM,,設(shè)計人員可有效控制調(diào)節(jié)標(biāo)準直流電機的轉(zhuǎn)速,。另外,用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣PWM信號使設(shè)計人員可檢測出可能的故障,。在車身電子應(yīng)用中,,會用到各種電機。它們包括有刷直流,、無刷直流甚至三相電機,。每種電機要求獨特的控制特性,在設(shè)計電源部分時,,必須將此要求考慮在內(nèi),。

  車身電子中的第三類負載是加熱元件,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身模塊能提供足夠電流,。傳統(tǒng)上,,采用簡單的12V繼電器為大功率應(yīng)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,,對車用器件來說這是個致命短板。鑒于這些缺陷,,已用功率MOSFET取代某些傳統(tǒng)的繼電器應(yīng)用,,MOSFET是為傳遞大電流設(shè)計的,是種完全的固態(tài)方案,。MOSFET解決了繼電器存在的體積,、重量和可靠性問題。為該固態(tài)開關(guān)增添智能將進一步強化其功能,,此時,,它也被稱為智能功率器件或IPD。典型的IPD在單一封裝內(nèi)同時整合了功率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(nèi)置短路和過熱保護及負載電流感應(yīng)的高端IPD,。另外,為減少模塊內(nèi)的EMI,,IPD具有限制輸出電流快速波動的開關(guān)控制功能,。

  此類IPD常用于在諸如車內(nèi)外燈照明和加熱等車身應(yīng)用中替代繼電器(圖4)?;贗PD裸片的小尺寸,,一個四路IPD模塊可替代4個標(biāo)準繼電器。在這種情況下,,驅(qū)動剎車和轉(zhuǎn)向信號燈的4個繼電器可被一個IPD模塊代替,。另外,因IPD比繼電器各個維度都小巧,,ECU工程師可減小PCB和整個模塊的體積,。減少模塊體積和器件數(shù)加之采用IPD帶來的增加了的可靠性,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(shè)計人員來說是種相對新的產(chǎn)品,,當(dāng)決策到底該采用哪類產(chǎn)品時,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(yīng)商將首先根據(jù)這些參數(shù)排列其器件,。一旦做出該決定,則當(dāng)選擇一款具體IPD時,,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(shù)據(jù),??赏ㄟ^諸如串行外設(shè)接口(SPI)等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或獨立端口通信來實現(xiàn)診斷數(shù)據(jù)傳輸,。對具有SPI總線的系統(tǒng)來說,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(tǒng)來說,標(biāo)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(shè)計人員必須考慮總體系統(tǒng)需求來選出最適合的通信方法,。

  

  導(dǎo)通電阻,,有時寫作R(ON),是器件工作時,,其兩端的等效電阻,。大的導(dǎo)通電阻會帶來許多問題,它會在器件兩端造成顯著壓降,、導(dǎo)致更大功耗,,并因此加大器件發(fā)熱。為解決此問題,,目前生產(chǎn)的器件的R(ON)值可低達8mΩ,。當(dāng)選擇IPD時,,設(shè)計人員會一如既往地選擇可滿足系統(tǒng)要求具有最低R(ON)的器件,。另一個應(yīng)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:單基和多基片形態(tài),。在單基IPD內(nèi),,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)無法提供大電流,,從而要采用多基片技術(shù)來實現(xiàn)大電流器件。當(dāng)電流要求不很高時,,可用相同技術(shù)設(shè)計電源和邏輯,,設(shè)計人員可免除兩個不同基片帶來的復(fù)雜性和成本以及隨后的綁定和封裝問題。雖然單基和多基方案的選擇通常是由IPD供應(yīng)商決定的,,設(shè)計人員應(yīng)一直意識到所采用的具體工藝技術(shù)以確保器件滿足需求,。

  

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

  總之,為設(shè)計一個可靠,、具成本效益的系統(tǒng),需要把握設(shè)計的兩個主要部分——控制和電源,。為了這兩個部分能在整個系統(tǒng)內(nèi)最好地配合工作,,在為它們選擇器件時,要應(yīng)對各自面臨的挑戰(zhàn),。

  作者:Adam Prengler

  汽車電子平臺解決方案工程師

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