省毫瓦以增里程:提升汽車CAN總線能效以增強(qiáng)燃油經(jīng)濟(jì)性

對(duì)于傳統(tǒng)乘用車而言，油箱是唯一的實(shí)際能源來(lái)源，故制造商們尋求在包括電子系統(tǒng)在內(nèi)的所有汽車系統(tǒng)中節(jié)能，以進(jìn)一步改善燃油經(jīng)濟(jì)性及二氧化碳(CO2)排放。隨著汽車中增添的電子系統(tǒng)的數(shù)量不斷增多，以增強(qiáng)汽車性能及安全性，并為購(gòu)買者提供有吸引力的新功能，汽車中每個(gè)電子控制單元(ECU)的節(jié)能效果較低的話，就會(huì)使總油耗大幅增加。

芯片設(shè)計(jì)人員采用不同技術(shù)及途徑，已經(jīng)能夠降低他們提供的器件的總能耗。在單個(gè)系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片(SBC)中結(jié)合多個(gè)器件的功能，并應(yīng)用不同電源管理策略，還能幫助進(jìn)一步降低總能耗。這些進(jìn)展表示當(dāng)今的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)汽車能夠舒適安全地搭載乘客，而使用的燃油更少，碳排放更低。

增強(qiáng)型系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片

SBC為連接至汽車(CAN或LIN)總線的各種模塊(如車門模塊)提供電能、驅(qū)動(dòng)器及連接功能。通常情況下，它們可能集成穩(wěn)壓器， 為控制器及傳感器、高邊和/或低邊驅(qū)動(dòng)器、收發(fā)器接口及喚醒或看門狗引腳等其它系統(tǒng)連接功能供電。在單片器件中集成這些功能且結(jié)合內(nèi)置電源管理，跟使用分立元件相比，在功率、成本及尺寸方面具備優(yōu)勢(shì)。當(dāng)今的SBC使用現(xiàn)有技術(shù)及電源管理，能提供約20 μA的休眠電流及約60 μA的待機(jī)電流。

在一款典型SPC中，片上穩(wěn)壓器通常是低壓降(LDO)線性穩(wěn)壓器，如圖1所示。基于這個(gè)原因，設(shè)計(jì)人員面臨的主要挑戰(zhàn)就在于散熱管理，因?yàn)長(zhǎng)DO功率耗散相對(duì)較高。對(duì)于5 V時(shí)150 mA的穩(wěn)流供電電流而言，SBC應(yīng)當(dāng)能夠耗散高達(dá)1.3 W的總功率。如果SBC的LDO包含內(nèi)置旁路元件，此功率就在SBC封裝內(nèi)部耗散。用于需要更大電流(通常高于250 mA)的模塊的SBC，通常設(shè)計(jì)為與外部旁路元件一起使用。這就有效分散SBC與外部MOSFET之間的功率耗散，從而能夠擴(kuò)展實(shí)用的環(huán)境溫度范圍。

圖1. 包含LDO穩(wěn)壓器的傳統(tǒng)SBC

提升電源電路的能效，如在某些或全部LDO處使用開(kāi)關(guān)模式的DC-DC轉(zhuǎn)換器，能夠大幅降低汽車中每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)SBC的功率損耗額。這能幫助簡(jiǎn)化散熱管理，還能提升燃油經(jīng)濟(jì)性。

在仔細(xì)選擇轉(zhuǎn)換器架構(gòu)的情況下，采用開(kāi)關(guān)模式DC-DC轉(zhuǎn)換的SBC能為使用自動(dòng)停止-啟動(dòng)(或微混合)技術(shù)的較新型車提供重要優(yōu)勢(shì)。自動(dòng)停止-啟動(dòng)技術(shù)在汽車停下來(lái) (如等候交通信號(hào)燈) 時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠降低市區(qū)行駛的燃油消耗約15%至20%;當(dāng)駕駛員踩下加速踏板(油門)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)重啟，使系統(tǒng)有效地工作，而且這個(gè)過(guò)程對(duì)駕駛?cè)藛T而言是透明的。為了確保CAN總線上的所有系統(tǒng)都能夠持續(xù)恰當(dāng)?shù)匕l(fā)揮功用，應(yīng)用必須保持全面工作，即使是在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)期間電池電壓降至2.5 V那么低時(shí)，也是如此。在這種情況下，升壓-降壓DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使SBC能夠在所有工作條件下提供所要求的穩(wěn)壓輸出電壓。

圖2：采用DC-DC轉(zhuǎn)換器的SBC

局部網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)今的汽車可能包含大量ECU，高端車型中的ECU數(shù)量可能多達(dá)100個(gè)左右。大多數(shù)ECU(如果不是全部的話)連接至CAN總線，因此，CAN總線始終是啟用的。即使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)，某些ECU必須保持工作，以維持遙控開(kāi)鎖(RKE)等功能的運(yùn)作。這么多數(shù)量的ECU連接至總線，對(duì)總體電能消耗有重要影響。

局部網(wǎng)絡(luò)(Partial Networking, PN)是一種用于降低能耗同時(shí)使ECU能夠?qū)拘阎噶钭鞒鲰憫?yīng)的技術(shù)。系統(tǒng)僅在某些特定時(shí)刻根據(jù)需要啟用部分網(wǎng)絡(luò)，而其它節(jié)點(diǎn)保持在低功率狀態(tài)。有幾種可能的局部網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方案。針對(duì)公路用車頒布的CAN標(biāo)準(zhǔn)ISO 11898-6定義了選擇性喚醒功能，作為以高速媒體存取提供局部網(wǎng)絡(luò)的方式。當(dāng)某個(gè)ECU不要求工作時(shí)，它可能斷開(kāi)與CAN網(wǎng)絡(luò)的連接，只要沒(méi)有特定指令傳送給這個(gè)特別節(jié)點(diǎn)。

為了配合局部網(wǎng)絡(luò)功能，各個(gè)節(jié)點(diǎn)要求專用收發(fā)器中內(nèi)置“選擇性喚醒功能”。這種選擇性喚醒功能使不工作的ECU的電流消耗能降低至汽車制造商通常規(guī)定的100 µA平均待機(jī)電流極限范圍內(nèi)。即使有這樣的省電效果，但連接至總線ECU數(shù)量眾多，以致于對(duì)總線的總能耗進(jìn)而對(duì)汽車的燃油消耗有較大影響。這種途徑的另一項(xiàng)缺點(diǎn)就是跟每顆IC中必須包含的額外選擇性喚醒電路相關(guān)的系統(tǒng)成本增加了。此外，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)都需要軟件適配，以配合應(yīng)用局部網(wǎng)絡(luò)。這就增加了較大的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)負(fù)荷。

引入 CAN中繼器

通過(guò)將邏輯總線分割為兩個(gè)物理部分，使其中某個(gè)完整部分在不用時(shí)斷電，能夠獲得可貴的省電效果，如圖2所示。這可以通過(guò)在連接至CAN總線的某個(gè)模塊上引入雙向中繼器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖 3. 增加一個(gè)具有CAN中繼器的模塊使總線能夠分割為兩個(gè)部分

常規(guī)模塊包含一個(gè)連接至總線的CAN收發(fā)器，此收發(fā)器將物理CAN信號(hào)轉(zhuǎn)換為由模塊的微控制器(MCU)處理的數(shù)字信號(hào)。通常情況下，連接至總線的所有模塊都是這種類型。增加一個(gè)帶內(nèi)置CAN中繼器的模塊會(huì)創(chuàng)建一個(gè)點(diǎn)，總線在此點(diǎn)能從物理上分為兩個(gè)部分。

如圖4所示，CAN中繼器以與獨(dú)立式CAN收發(fā)器類似的方式連接微控制器。在此器件內(nèi)部，端口A上的每個(gè)信號(hào)傳輸至端口B，而端口B上的每個(gè)信號(hào)傳輸至端口A。CAN總線信號(hào)在微控制器中被解釋(interpreted)。CAN總線數(shù)據(jù)的重復(fù)在中繼器芯片內(nèi)部完成。當(dāng)接收到進(jìn)入休眠(Go-to-Sleep)指令時(shí)，端口之間的連接被斷開(kāi)，有效地?cái)嚅_(kāi)端口B上網(wǎng)絡(luò)部分的連接。斷開(kāi)連接部分上的所有節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)入極低能耗的休眠模式。

圖4. CAN中繼器模塊的內(nèi)部架構(gòu)。

這種方法簡(jiǎn)單且性價(jià)比高，因?yàn)樗泄?jié)點(diǎn)中除了一個(gè)節(jié)點(diǎn)外都可以使用標(biāo)準(zhǔn)ISO11898-2或ISO11898-5收發(fā)器來(lái)應(yīng)用，而且無(wú)須軟件適配。僅要求使用一個(gè)中繼器。當(dāng)使用這種技術(shù)時(shí)，重要的是計(jì)算顧及到線纜長(zhǎng)度、傳輸速度及由中繼器導(dǎo)致的額外延遲等因素的總體時(shí)序。

采用這種方式來(lái)分割總線也增強(qiáng)了汽車的故障容限(如線纜對(duì)地或電池短路)能力。如果有要求，還可以通過(guò)插入額外的總線中繼器，來(lái)進(jìn)一步限制這些所謂的“硬”總線故障。還可以防止帶有像增加電磁輻射及散熱問(wèn)題等后果的“軟”錯(cuò)誤影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)論

當(dāng)今的汽車制造商越來(lái)越注重將汽車中每個(gè)系統(tǒng)的能效提升至最高，以滿足更嚴(yán)格的排放及燃油經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)。為了符合汽車購(gòu)買者乃至地球的需求，如今，前所未有地更加重要的是，充分利用新的IC進(jìn)展來(lái)更高效率地在從熄火到所有系統(tǒng)工作等各個(gè)使用模式管理電氣能耗。