車身電子系統(tǒng)的控制電源設計

　　BCM是汽車內最重要的模塊之一。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)絡總線在不同模塊間傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)關作用。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。當汽車電子設計工程師想為汽車添加新的功能，但又沒有太多時間、空間或預算來增加新模塊時，他們?？赏ㄟ^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)和維護成本。對每種車型只需進行一些配置工作，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、傳感器輸入和車內網(wǎng)絡；電源部分，包括可提供大功率信號以驅動各種負載的功率器件。設計電源部分時需了解用于車身電子的各種負載特性。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。電子馬達也用于實現(xiàn)升降車窗、改變座椅位置及調整車鏡等機械功能。阻性元件則被用在座椅加熱及后車窗除霜應用中。

　　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BCM設計人員開始新設計時，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，在考慮了所有設計因素的情況下，決定如何將兩者結合起來以最好地滿足需求。設計人員在選擇合適的器件組合時，必須考慮的設計因素主要有：功耗預算、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，但最近的設計已顯現(xiàn)出向固態(tài)方案轉變的跡象。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)字控制器結合起來，設計人員可實現(xiàn)以前不可能完成的診斷和故障防范保護功能。最終，設計人員的目標是生成一種具有成本效益、能完全滿足應用需要并具有高可靠性以符合嚴苛汽車標準的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，這種模塊設計方法具有更多的靈活性。此外，采用MCU還能在系統(tǒng)內進行診斷（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，最關鍵的決策是選用一款帶合適外設、可滿足應用對性能和成本預算要求的MCU，比如NEC電子的V850ES/Fx3 MCU等方案。V850ES/Fx3基于V850 32位CPU內核，并針對汽車車身應用進行了優(yōu)化。V850內核是為嵌入式系統(tǒng)設計的，它具有高性能處理能力、快速中斷響應速度及高效數(shù)據(jù)傳輸能力等實時性能。該內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)總線進行訪問，可在無需CPU干預情況下進行數(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外設。例如，定時器對車身應用非常重要，它被用于調度任務、捕捉RF脈沖等外部信號，更重要的是它能生成控制車內LED等所需的脈寬調制（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40個模數(shù)轉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，它能使MCU僅運行諸如內部時鐘和系統(tǒng)所需的周期性定時器等必需的外設，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

　　設計BCM模塊的第二個挑戰(zhàn)是生成電源部分。該部分設計與模塊必須驅動的負載種類息息相關。簡單的LED燈是類常見負載?？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，設計人員可增加或減小流經LED的平均電流以有效調節(jié)LED亮度，它類似影劇院照明控制。采用紅、綠和藍色LED，對每色都進行PWM控制，設計人員可生成任意色彩的復合光。該功能進一步增加了對MCU內PWM信道的需求。

　　BCM模塊的第二類負載是電機，例如用于熱通風和空調系統(tǒng)中的風扇電機。電機還用于調節(jié)座椅位置以及驅動雨刷系統(tǒng)。與控制LED類似，采用PWM，設計人員可有效控制調節(jié)標準直流電機的轉速。另外，用模/數(shù)轉換器采樣PWM信號使設計人員可檢測出可能的故障。在車身電子應用中，會用到各種電機。它們包括有刷直流、無刷直流甚至三相電機。每種電機要求獨特的控制特性，在設計電源部分時，必須將此要求考慮在內。

　　車身電子中的第三類負載是加熱元件，例如，用于加熱座椅產生熱能的發(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繼電器為大功率應用提供所需電流。繼電器是又大又重的機電器件，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)的繼電器應用，MOSFET是為傳遞大電流設計的，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)開關增添智能將進一步強化其功能，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和診斷等特性與一身，是比MOSFET更優(yōu)異的產品。

　　圖3顯示的是一款帶內置短路和過熱保護及負載電流感應的高端IPD。另外，為減少模塊內的EMI，IPD具有限制輸出電流快速波動的開關控制功能。

　　此類IPD常用于在諸如車內外燈照明和加熱等車身應用中替代繼電器（圖4）。基于IPD裸片的小尺寸，一個四路IPD模塊可替代4個標準繼電器。在這種情況下，驅動剎車和轉向信號燈的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，可生產出質量更高及更具成本效益的產品。

　　因IPD對許多設計人員來說是種相對新的產品，當決策到底該采用哪類產品時，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^諸如串行外設接口（SPI）等網(wǎng)絡協(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，標準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。大的導通電阻會帶來許多問題，它會在器件兩端造成顯著壓降、導致更大功耗，并因此加大器件發(fā)熱。為解決此問題，目前生產的器件的R（ON）值可低達8mΩ。當選擇IPD時，設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，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。高密度邏輯所需的工藝技術無法提供大電流，從而要采用多基片技術來實現(xiàn)大電流器件。當電流要求不很高時，可用相同技術設計電源和邏輯，設計人員可免除兩個不同基片帶來的復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供應商決定的，設計人員應一直意識到所采用的具體工藝技術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的機會。

　　總之，為設計一個可靠、具成本效益的系統(tǒng)，需要把握設計的兩個主要部分——控制和電源。為了這兩個部分能在整個系統(tǒng)內最好地配合工作，在為它們選擇器件時，要應對各自面臨的挑戰(zhàn)。