汽車雨刷系統(tǒng)的解決方案

　　在目前已有的前端雙雨刷系統(tǒng)中，左右雨刷器之間的同步采用機械連接來實現(xiàn)(圖1)。這一做法很有必要，因為擋風(fēng)玻璃上的污垢、風(fēng)的影響或雨刷器的狀況都會使左右雨刷器的動作不同。多年來，汽車產(chǎn)業(yè)一直在尋找一種能有效降低噪聲和減小機械連接空間的智能解決方案。

　　一種方案就是用電子系統(tǒng)替代機械連接(圖2)。在這種架構(gòu)中，每個雨刷器都由一個直流電機驅(qū)動。直流電機由可直接安裝在電機組件內(nèi)部的微控制器和驅(qū)動IC來控制。用一個接口處理左右雨刷器的同步問題，因此雨刷器之間不必再使用傳統(tǒng)雨刷系統(tǒng)上的機械連接，從而顯著減小噪聲并節(jié)省了空間。

　　由于成本的原因，雨刷系統(tǒng)中使用的是直流電機。支持PWM和4個功率MOSFET控制方向驅(qū)動的全H橋柵極驅(qū)動器能夠控制這類電機。針對這類應(yīng)用的IC必須采用高電壓工藝設(shè)計，且必須適合在苛刻的環(huán)境中使用。此外，像擋風(fēng)玻璃雨刷系統(tǒng)這樣的大容量直流電機應(yīng)用必須采用優(yōu)化的通信接口。

　　由于雨刷的電子裝置通常離車載無線電設(shè)備很近，因此，必須對EMC輻射進行控制，車載無線電的電信號中斷會使汽車駕駛員難以忍受?？梢圆捎貌罘执型ㄐ沤涌?(SCI)收發(fā)器來減少這類輻射，改善EMC性能。SCI收發(fā)器是一種差分器件，在僅有一個雨刷器的系統(tǒng)中它也能以單端模式工作。柵極驅(qū)動器的SCI功能使其與LIN設(shè)備十分類似。不過與標準LIN接口相比，它的數(shù)據(jù)傳輸速率更快，可達100k波特。

　　每個雨刷器模塊(圖3)都由一個微控制器、一個高度集成的柵極驅(qū)動器和直流電機組成。由多個霍爾傳感器測量兩個雨刷器的位置。驅(qū)動器通過雨刷器開關(guān)將命令傳至微控制器。電子裝置可靠近雨刷器電機安裝，因而無需很大的空間。

　　低ECU消耗電流的重要性正日漸凸顯。為確保未激活I(lǐng)C的靜態(tài)電流很低，需采用專用的喚醒和休眠模式。雨刷器應(yīng)用的典型功能劃分如圖4所示，由微控制器、為微控制器供電的電壓調(diào)節(jié)器以及其它分立元件(如霍爾傳感器)組成。出于安全的考慮，需要在系統(tǒng)中加入一個看門狗，這是因為在雨中駕駛時，雨刷器損壞可能會導(dǎo)致危險。

　　為進一步防止系統(tǒng)出現(xiàn)故障，用于汽車的IC需具備許多功能，如過熱關(guān)閉、過壓和欠壓保護以及防短路全保護，還要滿足嚴格的車輛認證要求(防傳導(dǎo)干擾、EMC 及ESD保護)。為解決這些問題并滿足以上功能要求，Atmel公司開發(fā)了一款高度集成的柵極驅(qū)動器IC ATA6026。這款柵極驅(qū)動器IC包括一個5V/100mA電壓調(diào)節(jié)器加上一個看門狗，從而減少了要求較小PCB面積的小型設(shè)計所需外部元件數(shù)，這在機電系統(tǒng)中十分關(guān)鍵。該款I(lǐng)C可實現(xiàn)運動控制，因而這項功能無需在微控制器中增加任何存儲器。視窗看門狗在窗口打開期間由微控制器通過WD引腳從低電平向高電平轉(zhuǎn)換而觸發(fā)。如果看門狗檢測到窗口錯誤，即在窗口打開時未觸發(fā)或者在窗口關(guān)閉時錯誤觸發(fā)，將會產(chǎn)生一個復(fù)位脈沖。

　　圖5中的框圖給出了實現(xiàn)的功能和典型應(yīng)用的原理圖。微控制器通過提供一個PWM速度信號和一個方向信號來控制IC的驅(qū)動功能。由于該芯片必須驅(qū)動外部H橋的柵極，因此它采用兩個推挽式驅(qū)動器來控制被用作高端驅(qū)動器的兩個外部功率NMOS FET，另外兩個推挽式驅(qū)動器則用來控制被用作低端驅(qū)動器的兩個外部功率NMOS FET。驅(qū)動器可與標準或邏輯電平功率NMOS FET一起使用。高端控制驅(qū)動器采用外部自舉電容給柵極提供高于電池電壓8V～14V的電壓。逆向控制電機同樣可以實現(xiàn)。通過利用電荷泵給高端驅(qū)動器的柵極供電，在兩個方向上都有可能達到100%的占空比。為防止H橋出現(xiàn)高峰值電流，采用非重疊相位實現(xiàn)外部功率NMOS晶體管的切換。交叉導(dǎo)通時間由外部 RC組合電路定義。

　　低功率和低壓降片上電壓調(diào)節(jié)器被用于內(nèi)部和外部電壓源。作為功率元件的外部晶體管有助于降低功耗。在非激活狀態(tài)下，器件的休眠模式可確保靜態(tài)電流極低(通常為35微安)。對于6~9V的電池電壓而言，調(diào)節(jié)后的輸出電壓為5V±10%;電池電壓超過9V時，調(diào)節(jié)后的輸出電壓為5V±3%。為預(yù)防外部NPN管和 IC的損壞，可用一個感測電阻來檢測電壓調(diào)節(jié)器輸出電流。如果出現(xiàn)過電流，則電壓調(diào)節(jié)器可將電流限制到特定值。這意味著如果電壓調(diào)節(jié)器的功能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髡{(diào)節(jié)器的功能，則輸出電壓將降到一個極低的值。如果出現(xiàn)永久的導(dǎo)通狀態(tài)(100% PWM，不提供自舉功能)，全集成充電泵仍然可以為高端驅(qū)動器外部功率MOSFET的柵極供電。此外，用于反向電池保護的外部功率NMOS的柵極可由充電泵輸出供電。

　　如前文所述，ECU應(yīng)用需具備休眠功能以滿足低電流消耗的要求。在ATA6026的休眠模式下，可以使用引腳 EN或數(shù)據(jù)喚醒IC。僅有幾個模塊處于喚醒狀態(tài)(帶隙、帶有100nF外部隔直電容的內(nèi)部5V電壓調(diào)節(jié)器、用于檢測EN引腳閾值的輸入結(jié)構(gòu)和SCI接收部分的喚醒模塊)。上電缺省狀態(tài)為激活模式。為實現(xiàn)兩個模式之間的轉(zhuǎn)變，可采取3個步驟。除了激活/去激活EN引腳之外，還存在著通過利用SCI收發(fā)器實現(xiàn)喚醒功能的第二種方法。在休眠模式下，SCI收發(fā)器處于部分激活并工作在單端模式下。如果用SCI實現(xiàn)激活功能，則EN引腳可保持低電平而不影響激活模式。

　　由于電壓調(diào)節(jié)器、運動控制功能、看門狗和通信接口都集成在采用小型QFN封裝的單芯片上，系統(tǒng)總成本得到了降低，同時在幾乎所有無需適配的電機驅(qū)動應(yīng)用中，輸出級都保持了即插即用的靈活性。運動控制屬于IC的一部分，僅有PWM速度信號和方向信息必須由微控制器提供。兩個診斷引腳可實現(xiàn)故障安全功能。