車身控制模塊設(shè)計要求及解決方案

　　隨著人們對汽車的操控性及舒適性需求不斷升高，汽車車身中的電子設(shè)備越來越多，如電動后視鏡、中控門鎖、玻璃升降器、車燈乃至其它更多的高級功能等。

圖1：典型車身控制模塊(BCM)的系統(tǒng)架構(gòu)。

　　電源要求及方案選擇

　　典型車身控制模塊(BCM)設(shè)計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-0.5V至32V之間，輸出電壓為5V或3.3V。值得一提的是，汽車內(nèi)的用電設(shè)備越來越多，如果電池直接供電的設(shè)備靜態(tài)電流不夠低，而汽車連續(xù)停泊較長時間，車內(nèi)蓄電池可能因為過度放電而使汽車無法重新啟動，故BCM設(shè)計需要考慮靜態(tài)電流。此外，汽車應(yīng)用中可能會常常面對高溫環(huán)境，所以要求電源提供過溫保護。

　　適合于BCM的電源包括線性電源(或稱線性穩(wěn)壓器)和開關(guān)電源(或稱開關(guān)穩(wěn)壓器)。這兩種電源各有優(yōu)勢，究竟選擇何種電源，還要看具體應(yīng)用。在車身控制模塊的供電電源方面，中國市場上所售汽車中，轎車一般采用12V電源，而卡車和客車一般采用24V電源。在12V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，見圖2。NCV4275A是一款帶復(fù)位和延遲功能的5V、3.3V/450mA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，如過流保護、過溫保護、短路保護等。此外，在下圖中位置1處串聯(lián)一個二極管(MRA4005)，這線性電源能有效防止高達-42V的反向電壓；在位置2處并聯(lián)一個瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)管，可以有效阻止高達+45V的瞬態(tài)電源負載突降(loaddump)高壓脈沖及不穩(wěn)定的電源雜波，符合12V汽車電源系統(tǒng)的ISO16750-2-20034.6過壓測試規(guī)范。實際上，在汽車發(fā)動機啟動瞬間就可能出現(xiàn)負載突降，從而導(dǎo)致電池電壓升高至超過40V。這些特性讓NCV4275A非常適合汽車車身控制模塊應(yīng)用。

　　實際上，NCV4275A僅是安森美半導(dǎo)體針對汽車應(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30μA以下，驅(qū)動電流范圍在100mA至450mA之間。

圖2：車身控制模塊中線性電源典型應(yīng)用電路示意圖。

　　24V電源的BCM應(yīng)用中，需要將24V電壓轉(zhuǎn)換至5V或3.3V，如果采用線性穩(wěn)壓器，電源芯片本身就會有很高的功率消耗，產(chǎn)生大量熱量導(dǎo)致溫度過高而燒壞芯片，所以我們需要采用開關(guān)穩(wěn)壓器，我們推薦采用安森美半導(dǎo)體系列用于汽車的開關(guān)穩(wěn)壓器，如NCV51411、NCV8842、NCV8843、NCV33063、NCV33163、NCV3063、NCV3163、LM2576、LM2575及NCV2574等。這些開關(guān)穩(wěn)壓器具有較高的效率，避免產(chǎn)生大量的放熱，保護芯片，提升系統(tǒng)可靠性。這些汽車應(yīng)用的開關(guān)穩(wěn)壓器驅(qū)動電流多數(shù)在0.5A至1.5A之間，有的達到2.5A(NCV33163)，開關(guān)頻率在50kHz至300kHz之間。以NCV51441為例，這款器件使用V2控制架構(gòu)，提供無可比擬的瞬態(tài)響應(yīng)、極佳總體穩(wěn)壓精度及最簡單的環(huán)路補償。這款器件上的“BOOST”引腳支持“充當(dāng)啟動電路(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?/p>

　　車身網(wǎng)絡(luò)要求及發(fā)展趨勢

　　可以應(yīng)用于汽車中的系統(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。這些總線的特點各不相同，表1比較了汽車應(yīng)用中幾種常見的系統(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：不同汽車總線比較及典型收發(fā)器。

　　安森美半導(dǎo)體的總線收發(fā)器系列非常適合車身控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要求。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10μA的極低靜態(tài)電流。支持總線喚醒，共模電壓范圍-35V至+35V，可以承受額定+/-8kV的靜電放電(ESD)脈沖。NCV7321則支持-45V至+45V的電壓范圍，承受額定5kV的ESD脈沖。這些器件均提供強大的保護功能。

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，同時提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和長期可靠性，故需要提升元器件的集成度。得益于近年來出現(xiàn)的混合信號工藝，如安森美半導(dǎo)體的SmartPower高壓BCD工藝，高壓模擬電路如今能夠與低壓電路集成起來，使更高集成度的系統(tǒng)芯片得以開發(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單獨供電，有效遏制其它模塊對MCU電源的干擾。

　　安森美半導(dǎo)體身為全球領(lǐng)先的高性能、高可靠性硅解決方案供應(yīng)商，更為汽車車身控制網(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、看門狗(WD)電路、低邊驅(qū)動及高邊驅(qū)動，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，并幫助簡化設(shè)計流程。

　　遙控上鎖及開鎖設(shè)計要求及解決方案

　　汽車中的遙控上鎖及開鎖的應(yīng)用越來越普及。車身控制模塊使用315MHz(美國、日本)或433MHz(歐洲)頻率，通過高頻接收和發(fā)送來實現(xiàn)遙控上鎖及開鎖功能。這類應(yīng)用中的設(shè)計難點在于設(shè)計阻抗匹配電路，從而使功率損耗降至最低。此類應(yīng)用的通用要求包括低靜態(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)器很好地滿足這些設(shè)計要求，如靜態(tài)電流低至小于1µA，帶有喚醒及睡眠檢測功能，信號電平僅為10dBm，接收靈敏度更是低于-100dBm，且工作電流僅為10mA，頻率范圍為280至343MHz。

　　板外大功率負載驅(qū)動及方案比較

　　車身控制模塊電路板需要為板外的一些大功率負載供電，這些負載包括汽車內(nèi)部照明(5W及10W)、單向電機和汽車喇叭等。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載，而感性負載在啟動時需要比維持正常工作所需電流大的啟動電流，且感性負載在接通電源或斷開電源的瞬間會產(chǎn)生反向電動勢。要驅(qū)動繼電器，可以采用安森美半導(dǎo)體的NUD3124、NUD3160或NCV7608等繼電器驅(qū)動器。

表2：板外大功率負載驅(qū)動方案優(yōu)缺點比較

　　另一種方案是采用“預(yù)驅(qū)動器+MOSFET”來驅(qū)動板外大功率負載，其中預(yù)驅(qū)動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，提供失效模式檢測及短路和斷路診斷功能。

　　第三種方案是采用SmartFET驅(qū)動。這是帶保護的MOSFET，在MOSFET基礎(chǔ)上增加了多種功能，如過壓鉗位、ESD保護、過流保護、過溫保護、反壓保護及高邊和低邊驅(qū)動。典型器件如低邊驅(qū)動的NCV8401/2/3，及用于高邊驅(qū)動(內(nèi)部集成了升壓電路)的NCV8450和NCV8460等。這三種方案的優(yōu)缺點見表2。

　　應(yīng)用于BCM的其它方案

　　除了上述板外大功率負載，汽車應(yīng)用中常見的電動后視鏡方面，可以采用安森美半導(dǎo)體的NCV7703來驅(qū)動其中的轉(zhuǎn)向電機。這器件提供3個半橋輸出，輸出電流為0.6A，最高達1A，并具備自診斷功能，提供低靜態(tài)電流、SPI通信及低壓/過壓/過溫保護等特性。

　　此外，車身控制模塊需要采集車門、車鎖、組合開關(guān)等數(shù)十個信號，往往需要擴展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)動器，能以脈寬調(diào)制(PWM)方式設(shè)定尾部行車/剎車電流輸出，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)體待批專利的自偏置晶體管技術(shù)，以低成本、強固等特點提供較高性能，著眼于替代一些汽車尾燈中使用的電阻型驅(qū)動器。

　　總結(jié)：

　　應(yīng)用環(huán)境苛刻的車身控制模塊(BCM)對元器件提出了更高的要求。本文探入探討B(tài)CM設(shè)計在電源、車身網(wǎng)絡(luò)及板外大功率負載驅(qū)動等多個方面的要求，并比較分析了一些領(lǐng)域中不同方案的優(yōu)劣勢。安森美半導(dǎo)體針身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅方案供應(yīng)商，針對車身控制模塊等汽車應(yīng)用提供具有強固保護特性、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)動器、預(yù)驅(qū)動器、電機驅(qū)動器、LED驅(qū)動器及MOSFET等，幫助設(shè)計人員為他們的BCM設(shè)計選擇更佳的元器件方案，從而在市場上占據(jù)優(yōu)勢。