如何提升汽車CAN總線能效以增強燃油經(jīng)濟性？

　　芯片設(shè)計人員采用不同技術(shù)及途徑，已經(jīng)能夠降低他們提供的器件的總能耗。在單個系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片(SBC)中結(jié)合多個器件的功能，并應(yīng)用不同電源管理策略，還能幫助進一步降低總能耗。這些進展表示當今的內(nèi)燃發(fā)動機汽車能夠舒適安全地搭載乘客，而使用的燃油更少，碳排放更低。

　　增強型系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片

　　SBC為連接至汽車(CAN或LIN)總線的各種模塊(如車門模塊)提供電能、驅(qū)動器及連接功能。通常情況下，它們可能集成穩(wěn)壓器， 為控制器及傳感器、高邊和/或低邊驅(qū)動器、收發(fā)器接口及喚醒或看門狗引腳等其它系統(tǒng)連接功能供電。在單片器件中集成這些功能且結(jié)合內(nèi)置電源管理，跟使用分立元件相比，在功率、成本及尺寸方面具備優(yōu)勢。當今的SBC使用現(xiàn)有技術(shù)及電源管理，能提供約20 μA的休眠電流及約60 μA的待機電流。

　　在一款典型SPC中，片上穩(wěn)壓器通常是低壓降(LDO)線性穩(wěn)壓器，如圖1所示?；谶@個原因，設(shè)計人員面臨的主要挑戰(zhàn)就在于散熱管理，因為LDO功率耗散相對較高。對于5 V時150 mA的穩(wěn)流供電電流而言，SBC應(yīng)當能夠耗散高達1.3 W的總功率。如果SBC的LDO包含內(nèi)置旁路元件，此功率就在SBC封裝內(nèi)部耗散。用于需要更大電流(通常高于250 mA)的模塊的SBC，通常設(shè)計為與外部旁路元件一起使用。這就有效分散SBC與外部MOSFET之間的功率耗散，從而能夠擴展實用的環(huán)境溫度范圍。

圖1. 包含LDO穩(wěn)壓器的傳統(tǒng)SBC

　　提升電源電路的能效，如在某些或全部LDO處使用開關(guān)模式的DC-DC轉(zhuǎn)換器，能夠大幅降低汽車中每個CAN節(jié)點SBC的功率損耗額。這能幫助簡化散熱管理，還能提升燃油經(jīng)濟性。

　　在仔細選擇轉(zhuǎn)換器架構(gòu)的情況下，采用開關(guān)模式DC-DC轉(zhuǎn)換的SBC能為使用自動停止-啟動(或微混合)技術(shù)的較新型車提供重要優(yōu)勢。自動停止-啟動技術(shù)在汽車停下來 (如等候交通信號燈) 時關(guān)閉發(fā)動機，能夠降低市區(qū)行駛的燃油消耗約15%至20%；當駕駛員踩下加速踏板(油門)時，發(fā)動機自動重啟，使系統(tǒng)有效地工作，而且這個過程對駕駛?cè)藛T而言是透明的。為了確保CAN總線上的所有系統(tǒng)都能夠持續(xù)恰當?shù)匕l(fā)揮功用，應(yīng)用必須保持全面工作，即使是在發(fā)動機啟動期間電池電壓降至2.5 V那么低時，也是如此。在這種情況下，升壓-降壓DC-DC拓撲結(jié)構(gòu)使SBC能夠在所有工作條件下提供所要求的穩(wěn)壓輸出電壓。

圖2：采用DC-DC轉(zhuǎn)換器的SBC

局部網(wǎng)絡(luò)

　　當今的汽車可能包含大量ECU，高端車型中的ECU數(shù)量可能多達100個左右。大多數(shù)ECU(如果不是全部的話)連接至CAN總線，因此，CAN總線始終是啟用的。即使發(fā)動機熄火時，某些ECU必須保持工作，以維持遙控開鎖(RKE)等功能的運作。這么多數(shù)量的ECU連接至總線，對總體電能消耗有重要影響。

　　局部網(wǎng)絡(luò)(Partial Networking, PN)是一種用于降低能耗同時使ECU能夠?qū)拘阎噶钭鞒鲰憫?yīng)的技術(shù)。系統(tǒng)僅在某些特定時刻根據(jù)需要啟用部分網(wǎng)絡(luò)，而其它節(jié)點保持在低功率狀態(tài)。有幾種可能的局部網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方案。針對公路用車頒布的CAN標準ISO 11898-6定義了選擇性喚醒功能，作為以高速媒體存取提供局部網(wǎng)絡(luò)的方式。當某個ECU不要求工作時，它可能斷開與CAN網(wǎng)絡(luò)的連接，只要沒有特定指令傳送給這個特別節(jié)點。

　　為了配合局部網(wǎng)絡(luò)功能，各個節(jié)點要求專用收發(fā)器中內(nèi)置“選擇性喚醒功能”。這種選擇性喚醒功能使不工作的ECU的電流消耗能降低至汽車制造商通常規(guī)定的100 μA平均待機電流極限范圍內(nèi)。即使有這樣的省電效果，但連接至總線ECU數(shù)量眾多，以致于對總線的總能耗進而對汽車的燃油消耗有較大影響。這種途徑的另一項缺點就是跟每顆IC中必須包含的額外選擇性喚醒電路相關(guān)的系統(tǒng)成本增加了。此外，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點都需要軟件適配，以配合應(yīng)用局部網(wǎng)絡(luò)。這就增加了較大的系統(tǒng)開發(fā)負荷。

　　引入CAN中繼器

　　通過將邏輯總線分割為兩個物理部分，使其中某個完整部分在不用時斷電，能夠獲得可貴的省電效果，如圖2所示。這可以通過在連接至CAN總線的某個模塊上引入雙向中繼器來實現(xiàn)。

圖 3. 增加一個具有CAN中繼器的模塊使總線能夠分割為兩個部分

　　常規(guī)模塊包含一個連接至總線的CAN收發(fā)器，此收發(fā)器將物理CAN信號轉(zhuǎn)換為由模塊的微控制器(MCU)處理的數(shù)字信號。通常情況下，連接至總線的所有模塊都是這種類型。增加一個帶內(nèi)置CAN中繼器的模塊會創(chuàng)建一個點，總線在此點能從物理上分為兩個部分。

　　如圖4所示，CAN中繼器以與獨立式CAN收發(fā)器類似的方式連接微控制器。在此器件內(nèi)部，端口A上的每個信號傳輸至端口B，而端口B上的每個信號傳輸至端口A。CAN總線信號在微控制器中被解釋(interpreted)。CAN總線數(shù)據(jù)的重復在中繼器芯片內(nèi)部完成。當接收到進入休眠(Go-to-Sleep)指令時，端口之間的連接被斷開，有效地斷開端口B上網(wǎng)絡(luò)部分的連接。斷開連接部分上的所有節(jié)點都可以進入極低能耗的休眠模式。

圖4. CAN中繼器模塊的內(nèi)部架構(gòu)。

　這種方法簡單且性價比高，因為所有節(jié)點中除了一個節(jié)點外都可以使用標準ISO11898-2或ISO11898-5收發(fā)器來應(yīng)用，而且無須軟件適配。僅要求使用一個中繼器。當使用這種技術(shù)時，重要的是計算顧及到線纜長度、傳輸速度及由中繼器導致的額外延遲等因素的總體時序。

　　采用這種方式來分割總線也增強了汽車的故障容限(如線纜對地或電池短路)能力。如果有要求，還可以通過插入額外的總線中繼器，來進一步限制這些所謂的“硬”總線故障。還可以防止帶有像增加電磁輻射及散熱問題等后果的“軟”錯誤影響整個網(wǎng)絡(luò)。

　　結(jié)論

　　當今的汽車制造商越來越注重將汽車中每個系統(tǒng)的能效提升至最高，以滿足更嚴格的排放及燃油經(jīng)濟性目標。為了符合汽車購買者乃至地球的需求，如今，前所未有地更加重要的是，充分利用新的IC進展來更高效率地在從熄火到所有系統(tǒng)工作等各個使用模式管理電氣能耗。