- 汽車(chē)電源要求及方案選擇
- 車(chē)身網(wǎng)絡(luò)要求及發(fā)展趨勢(shì)
- 板外大功率負(fù)載驅(qū)動(dòng)及方案比較
- 在12 V電源BCM中采用線性穩(wěn)壓器
- 24 V電源的BCM采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器
- 車(chē)身控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用高集成度的芯片
- 遙控上鎖及開(kāi)鎖采用高靈敏度帶喚醒及睡眠檢測(cè)的高頻收發(fā)器
圖1：典型車(chē)身控制模塊(BCM)的系統(tǒng)架構(gòu)。
電源要求及方案選擇
典型車(chē)身控制模塊(BCM)設(shè)計(jì)重要的一步是確定電源要求，以及選擇合適的電源方案。一般而言，BCM要求的輸入電壓在-0.5 V至32 V之間，輸出電壓為5 V或3.3 V。
值得一提的是，汽車(chē)內(nèi)的用電設(shè)備越來(lái)越多，如果電池直接供電的設(shè)備靜態(tài)電流不夠低，而汽車(chē)連續(xù)停泊較長(zhǎng)時(shí)間，車(chē)內(nèi)蓄電池可能因?yàn)檫^(guò)度放電而使汽車(chē)無(wú)法重新啟動(dòng)，故BCM設(shè)計(jì)需要考慮靜態(tài)電流。此外，汽車(chē)應(yīng)用中可能會(huì)常常面對(duì)高溫環(huán)境，所以要求電源提供過(guò)溫保護(hù)。
適合于BCM的電源包括線性電源(或稱(chēng)線性穩(wěn)壓器)和開(kāi)關(guān)電源(或稱(chēng)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器)。這兩種電源各有優(yōu)勢(shì)，究竟選擇何種電源，還要看具體應(yīng)用。
在車(chē)身控制模塊的供電電源方面，中國(guó)市場(chǎng)上所售汽車(chē)中，轎車(chē)一般采用12 V電源，而卡車(chē)和客車(chē)一般采用24 V電源。在12 V電源BCM中，推薦采用安森美半導(dǎo)體的線性穩(wěn)壓器，如NCV4275A等，見(jiàn)圖2。
NCV4275A是一款帶復(fù)位和延遲功能的5 V、3.3 V/450 mA低壓降(LDO)線性穩(wěn)壓器，這款器件支持可編程微控制器復(fù)位，并提供多種特性，如過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、短路保護(hù)等。此外，在下圖中位置1處串聯(lián)一個(gè)二極管(MRA4005)，這線性電源能有效防止高達(dá)-42 V的反向電壓。
在位置2處并聯(lián)一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)管，可以有效阻止高達(dá)+45 V的瞬態(tài)電源負(fù)載突降(load dump)高壓脈沖及不穩(wěn)定的電源雜波，符合12 V汽車(chē)電源系統(tǒng)的ISO16750-2-2003 4.6過(guò)壓測(cè)試規(guī)范。
實(shí)際上，在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間就可能出現(xiàn)負(fù)載突降，從而導(dǎo)致電池電壓升高至超過(guò)40 V。這些特性讓NCV4275A非常適合汽車(chē)車(chē)身控制模塊應(yīng)用。
[page]
實(shí)際上，NCV4275A僅是安森美半導(dǎo)體針對(duì)汽車(chē)應(yīng)用的寬范圍線性穩(wěn)壓器中的一款，其它線性穩(wěn)壓器有如NCV8664/5、NCV4949、NCV8503/4/5/6、NCV4274A等。超低靜態(tài)功耗的產(chǎn)品，靜態(tài)電流低至30 μA以下，驅(qū)動(dòng)電流范圍在100 mA至450 mA之間。
圖2：車(chē)身控制模塊中線性電源典型應(yīng)用電路示意圖。
24 V電源的BCM應(yīng)用中，需要將24 V電壓轉(zhuǎn)換至5 V或3.3 V，如果采用線性穩(wěn)壓器，電源芯片本身就會(huì)有很高的功率消耗，產(chǎn)生大量熱量導(dǎo)致溫度過(guò)高而燒壞芯片，所以我們需要采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，我們推薦采用安森美半導(dǎo)體系列用于汽車(chē)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，如NCV51411、NCV8842、NCV8843、NCV33063、NCV33163、NCV3063、NCV3163、LM2576、LM2575及NCV2574等。
這些開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器具有較高的效率，避免產(chǎn)生大量的放熱，保護(hù)芯片，提升系統(tǒng)可靠性。這些汽車(chē)應(yīng)用的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)電流多數(shù)在0.5 A至1.5 A之間，有的達(dá)到2.5 A(NCV33163)，開(kāi)關(guān)頻率在50 kHz至300 kHz之間。以NCV51441為例，這款器件使用V2控制架構(gòu)，提供無(wú)可比擬的瞬態(tài)響應(yīng)、極佳總體穩(wěn)壓精度及最簡(jiǎn)單的環(huán)路補(bǔ)償。
這款器件上的“BOOST”引腳支持“充當(dāng)啟動(dòng)電路(Bootstrapped)”工作，將能效提升至最高；集成的同步電路支持并行電源工作或?qū)⒃肼暯抵磷畹汀?br />
車(chē)身網(wǎng)絡(luò)要求及發(fā)展趨勢(shì)
可以應(yīng)用于汽車(chē)中的系統(tǒng)總線有多種，如控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)、本地互連網(wǎng)絡(luò)(LIN)及FelxRay等。這些總線的特點(diǎn)各不相同，表1比較了汽車(chē)應(yīng)用中幾種常見(jiàn)的系統(tǒng)總線，并列出了典型的安森美半導(dǎo)體總線收發(fā)器產(chǎn)品。
表1：不同汽車(chē)總線比較及典型收發(fā)器。
圖3a)及b)分別顯示了基于安森美半導(dǎo)體CAN收發(fā)器AMIS-42665及LIN收發(fā)器NCV7321的典型電路。值得一提的是，AMIS-42665提供小于的10 μA的極低靜態(tài)電流。支持總線喚醒，共模電壓范圍-35 V至+35 V，可以承受額定+/-8 kV的靜電放電(ESD)脈沖。NCV7321則支持-45 V至+45 V的電壓范圍，承受額定5 kV的ESD脈沖。這些器件均提供強(qiáng)大的保護(hù)功能。[page]
圖3：基于安森美半導(dǎo)體收發(fā)器的典型CAN電路(圖a)及LIN電路(圖b)。
在車(chē)身控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，需要盡可能地配合降低成本及空間要求，同時(shí)提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和長(zhǎng)期可靠性，故需要提升元器件的集成度。得益于近年來(lái)出現(xiàn)的混合信號(hào)工藝，如安森美半導(dǎo)體的Smart Power高壓BCD工藝，高壓模擬電路如今能夠與低壓電路集成起來(lái)，使更高集成度的系統(tǒng)芯片得以開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。
如安森美半導(dǎo)體的NCV7440在同一顆芯片上集成了線性穩(wěn)壓器及CAN收發(fā)器，NCV7420則集成了線性穩(wěn)壓器及LIN收發(fā)器。這樣的集成有效節(jié)省PCB板空間，可以給MCU單獨(dú)供電，有效遏制其它模塊對(duì)MCU電源的干擾。
安森美為汽車(chē)車(chē)身控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用推出一款超高集成度的芯片——NCV7462。這款芯片集成了線性穩(wěn)壓器、CAN收發(fā)器、LIN收發(fā)器、看門(mén)狗(WD)電路、低邊驅(qū)動(dòng)及高邊驅(qū)動(dòng)，將所需外部元件數(shù)量減至極少，僅占用極小的電路板空間，并幫助簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程。
遙控上鎖及開(kāi)鎖設(shè)計(jì)要求及解決方案
汽車(chē)中的遙控上鎖及開(kāi)鎖的應(yīng)用越來(lái)越普及。車(chē)身控制模塊使用315 MHz(美國(guó)、日本)或433MHz(歐洲)頻率，通過(guò)高頻接收和發(fā)送來(lái)實(shí)現(xiàn)遙控上鎖及開(kāi)鎖功能。
這類(lèi)應(yīng)用中的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)阻抗匹配電路，從而使功率損耗降至最低。
此類(lèi)應(yīng)用的要求包括低靜態(tài)電流、提供睡眠模式、低發(fā)射功率、高接收靈敏度、低功耗及適宜的頻率范圍等。而安森美半導(dǎo)體的ON-53480高頻收發(fā)器很好地滿(mǎn)足這些設(shè)計(jì)要求，如靜態(tài)電流低至小于1 µA，帶有喚醒及睡眠檢測(cè)功能，信號(hào)電平僅為10 dBm，接收靈敏度更是低于-100 dBm，且工作電流僅為10 mA，頻率范圍為280至343 MHz。
板外大功率負(fù)載驅(qū)動(dòng)及方案比較
車(chē)身控制模塊電路板需要為板外的一些大功率負(fù)載供電，這些負(fù)載包括汽車(chē)內(nèi)部照明(5 W及10 W)、單向電機(jī)和汽車(chē)?yán)鹊取?br />
一種可選的方案是采用板內(nèi)繼電器。繼電器的線圈屬于感性負(fù)載，而感性負(fù)載在啟動(dòng)時(shí)需要比維持正常工作所需電流大的啟動(dòng)電流，且感性負(fù)載在接通電源或斷開(kāi)電源的瞬間會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)。要驅(qū)動(dòng)繼電器，可以采用安森美半導(dǎo)體的NUD3124、NUD3160或NCV7608等繼電器驅(qū)動(dòng)器。
表2：板外大功率負(fù)載驅(qū)動(dòng)方案優(yōu)缺點(diǎn)比較
另一種方案是采用“預(yù)驅(qū)動(dòng)器+MOSFET”來(lái)驅(qū)動(dòng)板外大功率負(fù)載，其中預(yù)驅(qū)動(dòng)器可以采用安森美半導(dǎo)體的NCV7513A，這器件支持并行端口及SPI端口通信，可編程，提供失效模式檢測(cè)及短路和斷路診斷功能。
第三種方案是采用SmartFET驅(qū)動(dòng)。這是帶保護(hù)的MOSFET，在MOSFET基礎(chǔ)上增加了多種功能，如過(guò)壓鉗位、ESD保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、反壓保護(hù)及高邊和低邊驅(qū)動(dòng)。典型器件如低邊驅(qū)動(dòng)的NCV8401/2/3，及用于高邊驅(qū)動(dòng)(內(nèi)部集成了升壓電路)的NCV8450和NCV8460等。這三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。
應(yīng)用于BCM的其它方案
除了上述板外大功率負(fù)載，汽車(chē)應(yīng)用中常見(jiàn)的電動(dòng)后視鏡方面，可以采用安森美半導(dǎo)體的NCV7703來(lái)驅(qū)動(dòng)其中的轉(zhuǎn)向電機(jī)。這器件提供3個(gè)半橋輸出，輸出電流為0.6 A，最高達(dá)1 A，并具備自診斷功能，提供低靜態(tài)電流、SPI通信及低壓/過(guò)壓/過(guò)溫保護(hù)等特性。
此外，車(chē)身控制模塊需要采集車(chē)門(mén)、車(chē)鎖、組合開(kāi)關(guān)等數(shù)十個(gè)信號(hào)，往往需要擴(kuò)展MCU的輸入端口，這就需要并行端口轉(zhuǎn)串行端口的邏輯轉(zhuǎn)換芯片，常用的是安森美半導(dǎo)體的8位移位寄存器MC14021B。
安森美半導(dǎo)體還為組合尾燈提供不同的解決方案。如NCV7680是一款8通道低邊恒流驅(qū)動(dòng)器，能以脈寬調(diào)制(PWM)方式設(shè)定尾部行車(chē)/剎車(chē)電流輸出，而NSI45xx則是新推出的恒流線性穩(wěn)壓器(CCR)，基于安森美半導(dǎo)體待批專(zhuān)利的自偏置晶體管技術(shù)，以低成本、強(qiáng)固等特點(diǎn)提供較高性能，著眼于替代一些汽車(chē)尾燈中使用的電阻型驅(qū)動(dòng)器。
應(yīng)用環(huán)境苛刻的車(chē)身控制模塊(BCM)對(duì)元器件提出了更高的要求。本文深入探討B(tài)CM設(shè)計(jì)在電源、車(chē)身網(wǎng)絡(luò)及板外大功率負(fù)載驅(qū)動(dòng)等多個(gè)方面的要求，并比較分析了一些領(lǐng)域中不同方案的優(yōu)劣勢(shì)。
安森美針對(duì)車(chē)身控制模塊等汽車(chē)應(yīng)用提供具有強(qiáng)固保護(hù)特性、高可靠性、低靜態(tài)電流的解決方案，如電源穩(wěn)壓器、總線收發(fā)器、高頻收發(fā)器、繼電器驅(qū)動(dòng)器、預(yù)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、LED驅(qū)動(dòng)器及MOSFET等，幫助設(shè)計(jì)人員為他們的BCM設(shè)計(jì)選擇更佳的元器件方案，從而在市場(chǎng)上占據(jù)優(yōu)勢(shì)。
