車身電子系統(tǒng)的控制電源設(shè)計

　　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，他們常可通過為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(hù)成本。對每種車型只需進(jìn)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(fù)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(fù)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(dá)也用于實現(xiàn)升降車窗、改變座椅位置及調(diào)整車鏡等機(jī)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(hù)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(yán)苛汽車標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行訪問，可在無需CPU干預(yù)情況下進(jìn)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(jìn)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/Fx3MCU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(dá)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(jī)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(fù)載種類息息相關(guān)。簡單的LED燈是類常見負(fù)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(lán)色LED，對每色都進(jìn)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(jìn)一步增加了對MCU內(nèi)PWM信道的需求。

　　BCM模塊的第二類負(fù)載是電機(jī)，例如用于熱通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)中的風(fēng)扇電機(jī)。電機(jī)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(zhǔn)直流電機(jī)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(jī)。它們包括有刷直流、無刷直流甚至三相電機(jī)。每種電機(jī)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(fù)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(jī)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(jìn)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(hù)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(hù)及負(fù)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(zhǔn)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(zhǔn)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(dá)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(jī)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)。