基于英飛凌產品的汽車ABS解決方案

前言

隨著經濟的不斷發(fā)展，人們對汽車的需求正日益加強，與之相應，汽車的消費群體也變得越來越成熟，主要表現(xiàn)在消費者除了關注汽車的外型外還越來越重視汽車的內在品質，其中，汽車的安全特性逐漸成為用戶考慮的首要選購條件。由此，作為主要的安全系統(tǒng)之一的汽車防抱死制動系統(tǒng)(ABS)正引起越來越多的關注。下表(表1)是世界著名咨詢公司Strategy Analytics對中國ABS市場的預測，從中我們可以明顯地看出這種不斷增長的趨勢，預計在2006-2015年期間中國的ABS市場的年復合增長率將達到9.0%。

這種不斷增長的需求也促使眾多的企業(yè)和科研單位加大了對ABS的研發(fā)和生產的投入，從而催生了許多新的ABS系統(tǒng)生產企業(yè)。這種現(xiàn)象在中國、韓國和印度表現(xiàn)得尤為明顯。但這些企業(yè)生產ABS產品的歷史都不長，所以一個成熟而可靠的方案對他們來說尤為重要。下面將簡單介紹一下ABS系統(tǒng)的一般結構和特性。

ABS簡介

ABS主要通過監(jiān)測汽車制動時各車輪的速度變化來判斷汽車的所處的路面狀況和即將發(fā)生的運動狀態(tài)并根據預先設定的算法令車輪做出調整動作以避免被抱死。

如圖1所示，通常一個帶ABS功能的制動系統(tǒng)由以下部件組成：制動主缸、比例分配閥、制動壓力調節(jié)裝置、制動輪缸、輪速傳感器、ABS主控單元、ABS警報燈和剎車指示燈。

在這個系統(tǒng)中，與ABS相關的部件主要是：輪速傳感器、ABS主控單元、制動壓力調節(jié)裝置和ABS警報燈。其中輪速傳感器主要用于測量車輪的轉速，并將其信號經過初步處理后輸入到ABS主控單元中去。在主控單元中一般含有一到兩個微控制器，在ABS作用時，它們接收來自傳感器的信息，解析出輪速，在此基礎上計算出輪加速度、參考車速和滑移率等參數(shù)，并根據設定的算法推算出汽車所應采取的相應動作，然后向同樣位于主控單元上的執(zhí)行器件發(fā)出相應的指令。制動壓力調節(jié)裝置則接收此執(zhí)行器件的發(fā)出的指令調節(jié)各車輪上的制動壓力，以使車輪處于附著系數(shù)最大狀態(tài)并防止車輪被抱死而出現(xiàn)純滑動摩擦。在此過程中，輪速傳感器是信號輸入裝置，而主要的控制部分是由ABS主控單元完成的。因此ABS主控單元必須符合下列要求：

(1)具有高速處理傳感器信號的能力

由于一些比較低端的傳感器只有信號傳輸能力而本身沒有計算能力，所以傳感器的信號處理工作往往由主控單元來完成。在車輛速度較高的情況下，從傳感器端輸入信號的速度也會提高，而且一般的系統(tǒng)需要同時處理至少四個輪速信號。為了及時處理這些信號信息，主控單元必須有較強的信號處理能力。

(2)高速計算的能力

ABS的主控單元肩負著執(zhí)行預定算法的能力。它需要根據車輪的速度信息計算出汽車的各種狀態(tài)信息，如車速、車加速度、滑移率等等，并根據此信息搜尋算法中的與之相符的狀態(tài)，然后根據此狀態(tài)預設的算法計算出應采取的各種動作和參數(shù)。這一切都需要在極短的時間內完成，所以要求主控單元有較強的計算能力。通常會在此單元上采用至少一顆16位微控制器。

(3)快速有效執(zhí)行的能力

ABS必須在車輛高速的狀態(tài)下也能起到相應的作用，也就是要不斷完成加壓、保壓、減壓這個過程以控制車輛的行駛狀態(tài)，所以執(zhí)行器件也必須快速有效。

(4)處理大電流的能力

由于ABS要控制多達八個閥門的運動，整個系統(tǒng)的峰值電流會達到一個較高的值，所以主控單元必須要有處理大電流的能力，比如器件要能通過較大的容量，器件和系統(tǒng)要有較強的散熱能力。

(5)與其它系統(tǒng)通訊的能力

ABS的輪速信息經常要被其他系統(tǒng)所利用，所以ABS和其他系統(tǒng)之間經常需要交換信息。另外，當ABS被擴展成牽引力控制系統(tǒng)(TCS)或者電子穩(wěn)定系統(tǒng)(有ESC/ESP/VSC/DSC等不同名稱，下文中將采用ESC這一名稱)時，需要對發(fā)動機進行控制，所以需要與發(fā)動機管理系統(tǒng)(EMS)間的通訊。因此，ABS主控單元應該包括CAN或LIN接口。

(6)系統(tǒng)診斷監(jiān)控和失效保護性能

ABS是汽車最重要的安全系統(tǒng)之一，它的性能往往關系著車內乘員的生命安全。所以它必須能對自身進行診斷和監(jiān)控，即使在失效時也能提供緊急的替代和保護措施，以保證車輛不會失控。

上面已經提及，ABS是車輛制動系統(tǒng)智能化的基本形式，如在此基礎上增加一些額外的設備和功能，它可以擴展成其他的系統(tǒng)，在此將簡單介紹一下汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESC)。與ABS只在制動時起作用不同，ESC可以實時地監(jiān)控車輛的行駛狀態(tài)并在車輛出現(xiàn)失控可能之前通過調節(jié)相應車輪上的制動力和發(fā)動機的牽引力來及時糾正行車狀態(tài)，做到防范于未然。所以ESC系統(tǒng)需要更多的傳感器，除了輪速傳感器外通常還包括橫擺角傳感器、橫向加速度傳感器和方向盤轉角傳感器。另外，ESC還需要增加4個閥門以控制相同回路中液壓液的流向。由于ESC系統(tǒng)要實時處理復雜的行車狀況，它的軟件系統(tǒng)也更加龐大和復雜，這就要求它要有更快信號處理和計算能力，以及更快的響應速度。

針對ABS/ESC的這些要求，作為一個能提供完整產品鏈的芯片供應商，英飛凌公司結合了與世界各主要ABS/ESC供應商幾十年合作開發(fā)的成功經驗推出了自己的參考解決方案。在下面的章節(jié)中，我們將對此進行詳細的介紹。
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英飛凌ABS/ESC解決方案

英飛凌在與世界主要ABS/ESC供應商的合作過程中不斷總結經驗，并結合自己全面的產品線，開發(fā)出了獨具特色的ABS/ESC參考方案供客戶在此基礎上開發(fā)自己的方案。經過日積月累地改進這個方案目前的版本如下圖所示(圖2)。這個方案圖中包括了ABS和ESC兩種方案。整個圖描述的是一個ESC系統(tǒng)，如果去掉方向盤轉角傳感器、橫擺角傳感器和加速度傳感器組以及右下角用來控制四個額外電磁閥線圈的芯片，剩下的器件組成的就是一個ABS系統(tǒng)。

在這個方案中，英飛凌公司采用了最先進的XC2000系列產品作為主微控制器。XC2000是英飛凌基于130nm技術制造的16位微控制器系列并具有執(zhí)行某些32位指令的能力。它采用了英飛凌成熟的C166S-V2架構并進行了改善，最高的時鐘頻率達到80MHz。該架構采用了多路數(shù)據總線技術(multiple data buses)，大部分指令都能在一個時鐘周期內完成，也支持DSP技術。它具有16級中斷和8個外設通道并具有極短的響應時間。XC2000系列采用了多閃存模塊(Multiple FLASH modules)可以并行讀取程序代碼和數(shù)據。它還具有3.0V~5.5V這樣較寬的電源供應范圍并實現(xiàn)了單電壓供電。XC2000系列支持1-6個CAN總線接口，通過外置或內置的FlexRay總線接口它可以實現(xiàn)與FlexRay總線的通訊。它有64/100/144/176數(shù)種引腳數(shù)并實現(xiàn)了引腳兼容，采用了綠色(無鉛)小外形四方扁平(LQFP)封裝，并且由于采用了增強型節(jié)能技術，其待機模式下的電流僅為約30μA，從而在體積和功耗上都達到了業(yè)界的領先水平。為了增強數(shù)據的安全性和運算的可靠性，XC2000系列采用了多項數(shù)據處理技術，如硬件ECC(Error Correction Code，包括ECC Flash和SRAM ECC技術)、Built in self test (BIST)和self repair(BISR)技術等等。此外，XC2000系列還使用了64位加密技術防止數(shù)據的泄漏。XC2000系列產品分成三個字系列，其中XC2300系列是專門針對安全應用開發(fā)的，具有極強的可靠性和穩(wěn)定性。在這個方案中應用的XC2364微控制器具有最高80MHz的時鐘頻率、576kB閃存和50kB隨機存儲器(RAM)，還具有16個AD轉換口，2個CAN接口和2個串行接口。這些性能保證了它能勝任比較繁重的信號處理和計算任務從而保證ABS/ESC系統(tǒng)的正常功能。

除了這顆主微控制器外，這個方案還使用了一顆英飛凌的8位微控制器XC866作為備份微控制器。這是一顆具有8051內核的微控制器，除了在平時協(xié)助做一些信號處理和狀態(tài)檢測外，它最主要的作用就是在主微控制器失效的情況下作為備份微控制器，提供給車輛最基本的系統(tǒng)功能，以防止車輛進入失控狀態(tài)而引起危險。

在此方案中作為電源芯片的是一顆低壓差固定電壓輸出穩(wěn)壓器TLE4271-2G。這是TLE4271的改進版，具有過溫、過壓、反接、短路等一系列保護，最高可承受持續(xù)400ms的65V電壓，并自帶watchdog監(jiān)控與它相連的微控制器。該芯片性能穩(wěn)定，可用于12V和24V兩種電壓，在正常工作狀態(tài)下的輸出電壓的精度可達±2%并采用了對環(huán)境友好的綠色封裝。

為了配合ABS中逐漸增長的有源傳感器的使用要求，此方案使用了電壓跟隨器TLE4250-2G作為傳感器的電源。它具有較低的成本，能有效防止傳感器短路對微控制器產生沖擊。該芯片采用很小的SMD封裝。具有較寬的輸入電壓范圍，能輸出最大50mA的電流，并對過溫、反接、短路等作了保護。

在負載端，此方案采用了BTS6143D作為所有負載線圈的總開關，并作為高邊開關對系統(tǒng)進行保護。這是一個全保護集成型的芯片，標稱電流值達到10A，且?guī)в须娏鞅O(jiān)測功能，能運用于所有的阻性、感性和電容性負載，并適用于12V和24V電壓。作為低邊開關的是TLE6216GP。它是一個專為ABS/ESC系統(tǒng)設計的四通道電磁閥線圈驅動芯片，具有全面的診斷功能，每個通道都能進行獨立的安全診斷。作為電磁閥線圈的控制開關，TLE6212GP具有快速響應的特點，其響應時間為微秒級，提升了系統(tǒng)的性能。

為了滿足系統(tǒng)間通訊的需求，此方案中采用了CAN收發(fā)器TLE6250(或TLE6251)和LIN收發(fā)器TLE6258-2G。其中，TLE6250除了具有作為CAN收發(fā)器一般的功能外，更具有行業(yè)領先的靜電保護和抗電磁干擾性。TLE6251還有全面的失效分析檢測功能和極低的休眠功耗。TLE6258-2G兼容1.2，1.3和2.0 LIN規(guī)范，且也具有極低的休眠功耗。

從整個系統(tǒng)的角度看，此方案所采用的芯片都是專門為汽車應用而設計的，具有至少−40℃~125℃的應用溫度范圍，并有很強的靜電保護和抗電磁干擾性能。此外，這些芯片大多采用無鉛材料制造，是對環(huán)境友好的綠色芯片。

目前ABS/ESC系統(tǒng)正經歷著快速發(fā)展階段，比如輪速傳感器正從被動式傳感器向主動式傳感器轉換，使用功能更強大的微控制器，在系統(tǒng)中加入備份微控制器等等。從性能上說，上述的方案完全滿足了ABS/ESC對主控單元的要求。但是，隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對汽車的可靠性和輕量化的要求也在不斷地提高。此外，幾乎所有的廠商都面臨著削減成本的壓力。上述方案由于采用全分立式器件設計，所以器件的數(shù)目較多，從整個系統(tǒng)來看成本較高且主控單元有存在故障的可能性。另外，整個主控單元的體積可能較大。
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基于集成型L-Chip的英飛凌ABS/ESC解決方案

增強主控單元的可靠性、縮小它的體積和降低成本的一個有效手段就是減少所用芯片的數(shù)目，所以采用集成度更高的芯片成了一個必然選擇。英飛凌的一塊ABS/ESC專用的高集成度芯片已完成開發(fā)并將投入市場。這塊芯片被命名為TLE6212，下圖(圖3)是基于這塊芯片的英飛凌公司新的ABS/ESC參考方案的功能圖。由于該芯片在這樣的功能圖中的形狀，這樣的高集成度芯片叫做L-Chip。

如圖所示，TLE6212集成了電源、Watchdog和安全監(jiān)測邏輯電路、推動油泵用的MOSFET的驅動、作為高邊開關的MOSFET的驅動、主動和被動式輪速傳感器接口、K線收發(fā)器和兩個小電流低邊開關。它采用了64管腳的PGLQFP64-4封裝，在保證散熱的基礎上實現(xiàn)了小巧的外形。由此，整個ABS/ESC主控單元所用的器件數(shù)將大為減少，PCB板的體積也得以減少。從成本的角度考慮，這一集成芯片的價格也將低于它所替代的分立器件的總和。

結束語

作為汽車安全系統(tǒng)的重要應用，ABS/ESC正被裝置到越來越多的汽車上，一個可靠而有競爭力的方案不僅關乎汽車使用者的生命安全，而且能推動市場的快速成長。本文介紹的基于英飛凌產品的ABS/ESC技術方案具有功能全面、可靠高的優(yōu)點，可以幫助汽車系統(tǒng)供應商縮短研發(fā)進程，減少研發(fā)成本，以較快的速度推出產品切入市場。