面向電動車窗/天窗應用的集成嵌入式功率半導體

推動電動車窗電控單元采用高度集成解決方案的因素

　　如今，電動車窗已成為汽車標準功能之一。即使在成本至上的新興市場，它也是影響購車者決定的最重要因素之一。多數(shù)購車者都將電動車窗視為必備的舒適功能，因此汽車廠商都將其作為一種基本功能。

　　當前車門正沿著模塊化、輕型化方向發(fā)展，另一個發(fā)展趨勢是加裝側安全氣囊。隨著車門結構發(fā)生變化，車門腰線的負載規(guī)格也相應提高，以實現(xiàn)出色的碰撞性能。性能的增強與添加安全氣囊極大刺激了對小尺寸車門/電動車窗ECU（電控單元）的需求。更高的半導體集成度是管理防夾等復雜功能的關鍵，同時也滿足了小型、輕量要求。

　　車窗防夾功能也適用于天窗模塊，該模塊和車窗共用相同的車窗舉升機制。

ePower TLE7810G的優(yōu)勢

　　英飛凌提供的嵌入式功率（ePower）半導體TLE7810G主要應用于電動車窗，采用單一封裝，內含兼容標準8051內核的8位微控制器，同時搭載片上調試支持和系統(tǒng)基礎芯片（SBC）。SBC搭載符合LIN2.0/ SAEJ2602標準的LIN收發(fā)器、低壓降穩(wěn)壓器與兩個低側開關（繼電器驅動器）和為外部霍爾傳感器供電的電源，另外還提供高側驅動器，用于驅動發(fā)光二極管。

圖1 TLE7810G框圖

　　此集成電路是采用PDSO-28封裝的多芯片模塊（MCM），經過專門設計，適用于嚴酷的汽車環(huán)境。

　　該8位微控制器具備16KB片上閃存，可處理多個控制任務，其中包括車窗防夾功能。自2008年10月起，美國境內生產的車輛必須具備此功能，很快將有多個國家效仿這種作法。目前，許多汽車廠商已在新款車內加裝了此功能。

　　車窗升降器屬于高電流裝置，而目前的乘用車大部分仍采用繼電器驅動電動車窗電機。為了滿足這種情況，TLE7810G內嵌兩個繼電驅動器，控制驅動電動車窗電機的外部繼電器。

　　此外，TLE7810G還集成了LDO（低壓降）穩(wěn)壓器，負責為霍爾傳感器供電?；魻杺鞲衅魍ǔ０惭b在車窗防夾系統(tǒng)內，用于檢測車窗的速度/扭矩和位置。

　　高度整合的單一封裝大大降低了PCB占位空間，使其能夠安裝在更?。ǜ阋耍┑耐鈿?。同時，芯片的靜態(tài)電流消耗極低，可滿足現(xiàn)今電動車窗/車門模塊的苛刻要求。

　　這類芯片還內嵌LIN收發(fā)器，以滿足逐漸流行的分散式架構要求，即每個車窗由專門的ECU控制。通過連接LIN總線，可實現(xiàn)分散式模塊方案，從而大幅減少布線數(shù)量和整體重量。

圖 2 顯示分散式車身控制架構

　　相對于微控制器、收發(fā)器、繼電器驅動器和穩(wěn)壓器等各個分立式裝置，這種高度集成解決方案另一個突出優(yōu)勢是節(jié)省芯片封裝成本。對電動車窗ECU的一級供應商而言，采用高度集成的ePower解決方案，可獲得因組件減少帶來的更高可靠性、出類拔萃的庫存管理和更高的生產組裝效率。

　　TLE7810G還具備5個喚醒輸入，LIN收發(fā)器可經受高達4kV的靜電放電。

需要滿足的主要技術要求
防夾與車窗位置存儲處理

　　防夾是電動車窗的重要安全要求，必須保證在車輛發(fā)生故障情況下仍能正確運行，特別是在電動車窗升降時，遭遇電池故障或熄火狀況，這點至關重要。為確保防夾功能正確運行，系統(tǒng)再次啟動時，必須知道車窗的正確位置。因此，在電源關閉之前，系統(tǒng)必須在極端時間內存儲最后的車窗位置。

　　通常情況下，防夾機制取決于車窗的位置。舉例來說，如果車窗在完全打開后升起，只要偵測到防夾情況，車窗就會停止移動。但若車窗上升的空間少于250毫米，車窗必須停止并下降100毫米。為了讓車窗正確關閉，當車窗上升的空間不足4毫米時，將不啟動防夾偵測。

　　受到機械系統(tǒng)內能量的影響，從關閉電動車窗電機到車窗完全停止運動，需要50毫秒時間。在此期間，ePower必須監(jiān)控霍爾傳感器，并在電源關閉前存儲車窗最后的位置信息。同時，在此期間，ECU將采用緩沖電容器供電。電容器的大小取決于橋接時間、電流消耗和應用的電壓需求，這是系統(tǒng)開始關閉時的電壓水平與低電壓重置時的電壓水平的差別。TLE7810G經過優(yōu)化，具備3.3V的極低欠壓重置閾值，因此可采用較小且便宜的緩沖電容器。

低靜態(tài)電流消耗

　　即使在活動模式下，通常仍需將車窗穩(wěn)壓器ECU的電耗降低至幾百微安。這是因為駕駛員關閉引擎時，車鑰匙仍處于通電位置，電動車窗和防夾功能仍可運行，最好能盡量降低電流的消耗。

　　為實現(xiàn)這一點，應當定期喚醒控制器在活動模式下運行，但在較長時間內具備低功耗。利用TLE7810G的低功耗模式可實現(xiàn)這一點。TLE7810G的規(guī)格定義為：在省電模式下，停止循環(huán)喚醒的通信裝置（SBC）與微控制器（MCU）裝置。當微控制器處于省電模式時，消耗的電流最低。核心組件與外設均不運行。通過外部中斷可喚醒微控制器（使用或不使用重置）。因此，SBC可定期生成這種內部“喚醒”信號，使微控制器能夠返回活動模式，為其應用提供支持?？偣募s為：30uA + 80uA = 110uA。關鍵特性是LIN或監(jiān)控器管腳喚醒及其它定期喚醒功能，做到主動監(jiān)控其它信號或輸入。

未來展望

　　今后的發(fā)展趨勢是，使用外置高電流半導體開關（如BTM7960B）代替繼電器驅動電動車窗電機。其優(yōu)點包括較低的噪音、更長的使用壽命、較小的PCB尺寸和先進的功能，例如采用脈寬調制實現(xiàn)軟啟動。此外，在因溫度變化和橡膠密封劑老化造成的多樣機械摩擦導致電機電流變化的苛刻環(huán)境下，半導體解決方案能提供更加出色的保護與診斷管理。

　　防夾軟件在苛刻的汽車環(huán)境中，具備更高的智能性、強健性和適應性。TLE7810G具備可擴展性，閃存可由16KB、24KB增大至32KB。如要通過升級軟件提高防夾功能，可利用單線LIN支持LIN BSL（引導加載）下載程序。

結語

　　迄今為止，在亞太地區(qū)，尤其在中國，乘用車車門模塊與天窗模塊已越來越普及。根據(jù)當?shù)厥袌鰯?shù)據(jù)顯示，天窗模塊的銷量在近年來大幅攀升，主要是因為許多購買私家車的年輕人認為電動天窗能體現(xiàn)時尚生活風格。2004年，出于安全考慮，中國政府禁止改裝電動天窗，此舉也造成OEM市場在中國蓬勃發(fā)展。

　　支持高度集成解決方案和可擴展器件系列的嵌入式功率半導體具備多種優(yōu)勢：較小的PCB尺寸、重量輕、以較少的組件提供更高的可靠性、出色的庫存管理和更高的制造組裝效率。

　　這種單片解決方案也可大幅簡化設計，縮短上市時間。