當代汽車中的供電線連接

當代高級機動車，為了追求高性能，低油耗，低幅射，提高舒適性、方便性和安全性，需要配備大量的電子裝置。每種新型車輛系統(tǒng)或電氣功能的出現(xiàn)都伴隨著連接性的增加。新興的信息通信和驅(qū)動器信息系統(tǒng)領(lǐng)域更要整合多種技術(shù)來增強機動車安全性，通信功能、方便性以及娛樂性。這些技術(shù)涉及動態(tài)導航、無線連接/因特網(wǎng)接入、語音處理、汽車收音機、虛擬儀表面板、防撞系統(tǒng)以及其它等等。通過這些電子裝置，機動車與車內(nèi)系統(tǒng)、其它機動車，驅(qū)動器和擴充通信網(wǎng)絡相互作用，并支持多種車內(nèi)應用。毫無疑問，這些系統(tǒng)也需要一種汽車專用的供電方案。
汽車總線
機動車復雜電子裝置的先驅(qū)是引擎控制系統(tǒng)。它經(jīng)過擴充后目前稱為動力鏈（Power-Train）系統(tǒng)，其中包含了傳輸控制和高級車內(nèi)診斷功能。車用動力鏈總線既要高速度，又要具有經(jīng)濟實用的數(shù)據(jù)傳輸能力。
如表1所示，SAE最初定義了低、中、高速三類數(shù)據(jù)通信機動車網(wǎng)絡?？刂破骶钟蚓W(wǎng)（CAN）和SAE J-1850一直占據(jù)著主流地位，但也不是唯一的總線體系結(jié)構(gòu)。
SAE J-1850包含了最初由全部三家美國汽車制造商開發(fā)的各種版本。CAN是一種串行、異步、多主通信協(xié)議，用來連接汽車和工業(yè)應用的電子控制模塊。CAN是為需要高級數(shù)據(jù)整合和高達1Mbps數(shù)據(jù)率汽車應用設計的。
CAN具有低、高速兩種實施方案，使用不同電壓在一對導線上進行通信，通常稱為高速物理層和低速物理層。當兩根導線中一根因短路或一路發(fā)生故障時，低速體系結(jié)構(gòu)變?yōu)閱尉€工作體系結(jié)構(gòu)（所謂離線地）。由于電路需要具備這一功能的緣故，這種體系結(jié)構(gòu)在超過125Kbps總線速率時，其實實施成本是十分昂貴的。因此，125Kbps是高速與低速CAN的分界線。圖1表示CAN支持其它車用網(wǎng)絡的連接方法。
對某些機動車應用，如車體電子系統(tǒng)中的馬達控制，甚至可以使用更低的總線。本地互連網(wǎng)（LIN）是一種UART基、單主、多從網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)，原是為汽車傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡應用開發(fā)的。LIN為連接車內(nèi)馬達、開關(guān)、傳感器和車燈提供了一種廉價的網(wǎng)絡備選方案。LIN主節(jié)點連接LIN網(wǎng)絡和高級網(wǎng)絡（如CAN），將網(wǎng)絡的作用一直延伸到每個傳感器和執(zhí)行器（表2）。
在配備齊全時，導線驅(qū)動的系統(tǒng)需要大量的功率。術(shù)語“用導線（by-wire）”表示控制系統(tǒng)已完全取消了機械或液力連接，而在控制單元之間采用電子連接驅(qū)動電機執(zhí)行器。用導線驅(qū)動包括導線調(diào)節(jié)，用導線剎車，用導線變速以及用導線駕駛，特別是對自動停車系統(tǒng)。
為了實現(xiàn)這類高功率控制系統(tǒng)，需要一種容錯的，時間觸發(fā)的體系結(jié)構(gòu)。目前，在這個領(lǐng)域爭奪領(lǐng)導地位的有三種協(xié)議。Flex Ray采用光纖，當然也能在銅線上工作，數(shù)據(jù)傳輸速率達10Mbps。另一類是TTP（時間觸發(fā)協(xié)議）使用銅線，數(shù)據(jù)率僅2Mbps，但Vienna大學的研究人員正在開展使用光纖的探索。第三種協(xié)議TT-CAN，既支持“時間觸發(fā)”應用，也支持“事件觸發(fā)”應用。
汽車多媒體接口聯(lián)盟，或AMI-C，正在制訂移動信息和娛樂系統(tǒng)多媒體標準。AMI-C的主要工作集中在多目標信息和多媒體技術(shù)，想方設法解決Bluetooth、IEEE-1394和面向媒體系統(tǒng)傳輸（MOST）基車內(nèi)網(wǎng)絡的使用。Bluetooth為車輛環(huán)境提供無線連接；IEEEE-1394已在消費品環(huán)境中連接幾種多媒體產(chǎn)品；MOST則是專為汽車視頻和音頻流數(shù)據(jù)開發(fā)的光媒體基協(xié)議。
對上面已討論過的所有網(wǎng)絡協(xié)議（除LIN外），要想實現(xiàn)全部系統(tǒng)功能需要功能更強的微處理器。
電源的特殊要求
在汽車應用中，多種電源電壓和寬溫度范圍內(nèi)電壓精度亟需特殊的電源電路。兩個突出的例子是物理層電源要求和高級微處理要求的多種電壓加電順序。
簡單的物理層器件未必能勝任某些汽車應用。例如，所有汽車模塊要求使用穩(wěn)壓電源。有時，一個本地開關(guān)或傳感器會將模塊喚醒，以休眠狀態(tài)進入有源工作狀態(tài)。該開關(guān)或傳感器是以車輛電池工作的。為了簡化車輛中物理層應用的電源設計，已研制出專用的電源IC，如Motorola的系統(tǒng)偏壓芯片（SBC）族。其中MC33389兼?zhèn)淦嘋AN連接的CAN物理層功能和穩(wěn)壓器功能，內(nèi)置獨立的看門狗定時器和本地喚醒電路，以最少元件求得最大的靈活性（圖2）。在一個封裝內(nèi)組合這些功能需要先進的混合信號半導體工藝，如Motorola的SmARTMOSTM工藝。集成化設計降低了組裝成本，提高了可靠性，還增加了設計的靈活性。
MC33389將低速容錯CAN收發(fā)器和雙低壓降穩(wěn)壓器組合在一起，穩(wěn)壓器分別具有100mA和200mA的電流負載能力。IC還設有限流器和預報警的過溫檢測器，以及5V輸出電壓V1穩(wěn)壓器，V1自帶監(jiān)測電路和復位功能。
IC提供脫離CAN接口工作模式的三種工作模式（正常、備用和休眠），并能訪問低速125K波特率容錯CAN接口。芯片的直流工作電壓高達27V，并能承愛40V最大瞬時電壓。此外，IC可在汽車極限應用的-40℃~125℃溫度范圍內(nèi)工作。
加電順序
在先進VLSI邏輯件中的高速邏輯芯核設計在低壓（3.3V或2.6V）工作，而I/O接口用電源通常是5V。雙電源MPU的加電順序通常是預先規(guī)定的。用于此目的和旨在專用MPU設計的電源IC能保證正確的順序。
用于先進MPU電源的時間和電壓指標既會影響加電，也會影響斷電。倘若超過設計指標，由于電流進入芯片內(nèi)的隔離結(jié)構(gòu)，因而在器件的I/O端口與芯核之間會出現(xiàn)過大的電壓應力和閉鎖狀態(tài)。不管出現(xiàn)哪種情況，會立刻或稍后損壞器件，從而影響可靠性。既使MPU可設計成擴展工作，即其中一個電壓允許低于正常的工作電壓，加電順序仍為增加可靠性提供了付加保險度。
動力鏈電源IC
對動力鏈應用，電源IC（如Motorola的MC33997和MC33998）為電子控制單元（ECU），提供一套完整的電源系統(tǒng)解決方案。這此芯片設計成能隨惡劣的汽車環(huán)境-40℃~+125℃，而在6V~26.5V輸入電源下工作，瞬時電壓高達46V。MC33997和MC33998以其加電順序、輸出電壓監(jiān)測、管理功能和動力鏈應用的特殊保護功能，為Motorola MPU中的芯核和I/O提供所需的電壓。這些器件還支持備用模式，電源外部傳感器及其它功能。
圖3是為雙電壓MPU設計的簡化應用圖。MC33997電路通過逐級降壓開關(guān)電路將電池電壓變換成5V。器件中一個使用外部通路晶體管的線性穩(wěn)壓器提供3.3V輸出。該芯片還提供1個附加的3.3V輸出和2個有內(nèi)部保護、低RDS5V輸出，分別供備用電路和傳感器使用。MC33998是一個類似的器件，但提供2.6V輸出而不是3.3V，供需要較低電壓的MPU使用。兩種芯片的開關(guān)穩(wěn)壓器是帶集成高端P溝道功率MOSFET的高頻（750KHz）降壓變換器。
專用電源
多媒體和電信息通信中存在不同電壓的需求。因此，對最新型的汽車應用，能產(chǎn)生其它電壓的定制化IC應運而生。改進的定制化產(chǎn)品為汽車中的日益增加的連接性創(chuàng)造了條件，有助于生產(chǎn)廠家個性化它們的汽車產(chǎn)品。功能豐富的電源IC能簡化最終產(chǎn)品的設計，提高汽車在惡劣環(huán)境中生存的耐用性。
表1、車用控制總線的分類
表2、LIN與CAN的比較
表3、導線驅(qū)動系統(tǒng)時間觸發(fā)協(xié)議
圖1、汽車系統(tǒng)是由幾種車用網(wǎng)絡連接的。
圖2、內(nèi)置集成電壓穩(wěn)壓器的CAN收發(fā)器
圖3、MC33997電源IC