车身控制模块设计要求及安森美半导体解决方案
2009-08-10 09:32:35
来源：《半导体器件应用》2009年8月刊
1 引言
随着人们对汽车的操控性及舒适性需求不断升高，汽车车身中的电子设备越来越多，如电动后视镜、中控门锁、玻璃升降器、车灯乃至其它更多的高级功能等。
2 电源要求及方案选择
典型车身控制模块(BCM)设计重要的一步是确定电源要求，以及选择合适的电源方案。一般而言，BCM要求的输入电压在-0.5V至32V之间，输出电压为5V或3.3V。值得一提的是，汽车内的用电设备越来越多，如果电池直接供电的设备静态电流不够低，而汽车连续停泊较长时间，车内蓄电池可能因为过度放电而使汽车无法重新启动，故BCM设计需要考虑静态电流。此外，汽车应用中可能会常常面对高温环境，所以要求电源提供过温保护。
适合于BCM的电源包括线性电源（或称线性稳压器）和开关电源（或称开关稳压器）。这两种电源各有优势，究竟选择何种电源，还要看具体应用。在车身控制模块的供电电源方面，中国市场上所售汽车中，轿车一般采用12V电源，而卡车和客车一般采用24V电源。在12V电源BCM中，推荐采用安森美半导体的线性稳压器，如NCV4275A等，见图2。NCV4275A是一款带复位和延迟功能的5V、3.3V/450mA低压降(LDO)线性稳压器。这款器件支持可编程微控制器复位，并提供多种特性，如过流保护、过温保护、短路保护等。此外，在图2中位置1处串联一个二极管(MRA4005)，这线性电源能有效防止高达-42V的反向电压；在位置2处并联一个瞬态电压抑制器(TVS)，可以有效阻止高达+45V的瞬态电源负载突降(load dump)的高压脉冲及不稳定的电源杂波，符合12V汽车电源系统的ISO16750-2-2003 4.6过压测试规范。实际上，在汽车发动机启动瞬间就可能出现负载突降，从而导致电池电压升高至超过40V。这些特性让NCV4275A非常适合汽车车身控制模块应用。
实际上，NCV4275A仅是安森美半导体针对汽车应用的宽范围线性稳压器中的一款，其它线性稳压器有NCV8664/5、NCV4949、NCV8503/4/5/6、NCV4274A等。超低静态功耗的产品，静态电流低至30μA以下，驱动电流范围在100mA至450mA之间。
24V电源的BCM应用中，需要将24V电压转换至5V或3.3V，如果采用线性稳压器，电源芯片本身就会有很高的功率消耗，产生大量热量导致温度过高而烧坏芯片。所以我们需要采用开关稳压器，推荐采用安森美半导体系列用于汽车的开关稳压器，如NCV51411、NCV8842、NCV8843、NCV33063、NCV33163、NCV3063、NCV3163、LM2576、LM2575及NCV2574等。这些开关稳压器具有较高的效率，避免产生大量的放热，保护芯片，提升系统可靠性。这些汽车应用的开关稳压器驱动电流多数在0.5A至1.5A之间，有的达到2.5A(NCV33163)，开关频率在50kHz至300kHz之间。以NCV51441为例，这款器件使用V控制架构，提供无可比拟的瞬态响应、极佳总体稳压精度及最简单的环路补偿。这款器件上的“BOOST”引脚支持“充当启动电路(Bootstrapped)”工作，将能效提升至最高；集成的同步电路支持并行电源工作或将噪声降至最低。
3 车身网络要求及发展趋势
可以应用于汽车中的系统总线有多种，如控制器区域网络(CAN)、本地互连网络(LIN)及FelxRay等。这些总线的特点各不相同，表1比较了汽车应用中几种常见的系统总线，并列出了典型的安森美半导体总线收发器产品。
安森美半导体的总线收发器系列非常适合车身控制网络应用要求。图3(a)及图3(b)分别显示了基于安森美半导体CAN收发器AMIS-42665及LIN收发器NCV7321的典型电路。值得一提的是，AMIS-42665提供小于的10μA的极低静态电流。支持总线唤醒，共模电压范围-35V至+35V，可以承受额定+/-8kV的静电放电(ESD)脉冲。NCV7321则支持-45V至+45V的电压范围，承受额定5kV的ESD脉冲。这些器件均提供强大的保护功能。
在车身控制网络应用中，需要尽可能地配合降低成本及空间要求，同时提升系统的稳定性和长期可靠性，故需要提升元器件的集成度。得益于近年来出现的混合信号工艺，如安森美半导体的Smart Power高压BCD工艺，高压模拟电路如今能够与低压电路集成起来，使更高集成度的系统芯片得以开发和应用。如安森美半导体的NCV7440在同一颗芯片上集成了线性稳压器及CAN收发器，NCV7420则集成了线性稳压器及LIN收发器。这样的集成有效节省PCB板空间，可以给MCU单独供电，有效遏制其它模块对MCU电源的干扰。
安森美半导体身为全球领先的高性能、高可靠性硅解决方案供应商，更为汽车车身控制网络应用推出一款超高集成度的芯片——NCV7462。这款芯片集成了线性稳压器、CAN收发器、LIN收发器、看门狗(WD)电路、低边驱动及高边驱动，将所需外部元件数量减至极少，仅占用极小的电路板空间，并帮助简化设计流程。
4 遥控上锁及开锁设计要求及解决方案
汽车中的遥控上锁及开锁的应用越来越普及。车身控制模块使用315MHz（美国、日本）或433MHz（欧洲）频率，通过高频接收和发送来实现遥控上锁及开锁功能。这类应用中的设计难点在于设计阻抗匹配电路，从而使功率损耗降至最低。此类应用的通用要求包括低静态电流、提供睡眠模式、低发射功率、高接收灵敏度、低功耗及适宜的频率范围等。而安森美半导体的ON-53480高频收发器很好地满足这些设计要求，如静态电流低至小于1μA，带有唤醒及睡眠检测功能，信号电平仅为10dBm，接收灵敏度更是低于-100dBm，且工作电流仅为10mA，频率范围为280MHz至343MHz。
5 板外大功率负载驱动及方案比较
车身控制模块电路板需要为板外的一些大功率负载供电，这些负载包括汽车内部照明（5W及10W）、单向电机和汽车喇叭等。一种可选的方案是采用板内继电器。继电器的线圈属于感性负载，而感性负载在启动时需要比维持正常工作所需电流大的启动电流，且感性负载在接通电源或断开电源的瞬间会产生反向电动势。要驱动继电器，可以采用安森美半导体的NUD3124、NUD3160或NCV7608等继电器驱动器。
另一种方案是采用“预驱动器+MOSFET”来驱动板外大功率负载。其中预驱动器可以采用安森美半导体的NCV7513A，该器件支持并行端口及SPI端口通信，可编程，提供失效模式检测及短路和断路诊断功能。
第三种方案是采用SmartFET驱动。这是带保护的MOSFET，在MOSFET基础上增加了多种功能，如过压
随着人们对汽车的操控性及舒适性需求不断升高，汽车车身中的电子设备越来越多，如电动后视镜、中控门锁、玻璃升降器、车灯乃至其它更多的高级功能等。
2 电源要求及方案选择
典型车身控制模块(BCM)设计重要的一步是确定电源要求，以及选择合适的电源方案。一般而言，BCM要求的输入电压在-0.5V至32V之间，输出电压为5V或3.3V。值得一提的是，汽车内的用电设备越来越多，如果电池直接供电的设备静态电流不够低，而汽车连续停泊较长时间，车内蓄电池可能因为过度放电而使汽车无法重新启动，故BCM设计需要考虑静态电流。此外，汽车应用中可能会常常面对高温环境，所以要求电源提供过温保护。
适合于BCM的电源包括线性电源（或称线性稳压器）和开关电源（或称开关稳压器）。这两种电源各有优势，究竟选择何种电源，还要看具体应用。在车身控制模块的供电电源方面，中国市场上所售汽车中，轿车一般采用12V电源，而卡车和客车一般采用24V电源。在12V电源BCM中，推荐采用安森美半导体的线性稳压器，如NCV4275A等，见图2。NCV4275A是一款带复位和延迟功能的5V、3.3V/450mA低压降(LDO)线性稳压器。这款器件支持可编程微控制器复位，并提供多种特性，如过流保护、过温保护、短路保护等。此外，在图2中位置1处串联一个二极管(MRA4005)，这线性电源能有效防止高达-42V的反向电压；在位置2处并联一个瞬态电压抑制器(TVS)，可以有效阻止高达+45V的瞬态电源负载突降(load dump)的高压脉冲及不稳定的电源杂波，符合12V汽车电源系统的ISO16750-2-2003 4.6过压测试规范。实际上，在汽车发动机启动瞬间就可能出现负载突降，从而导致电池电压升高至超过40V。这些特性让NCV4275A非常适合汽车车身控制模块应用。
实际上，NCV4275A仅是安森美半导体针对汽车应用的宽范围线性稳压器中的一款，其它线性稳压器有NCV8664/5、NCV4949、NCV8503/4/5/6、NCV4274A等。超低静态功耗的产品，静态电流低至30μA以下，驱动电流范围在100mA至450mA之间。
24V电源的BCM应用中，需要将24V电压转换至5V或3.3V，如果采用线性稳压器，电源芯片本身就会有很高的功率消耗，产生大量热量导致温度过高而烧坏芯片。所以我们需要采用开关稳压器，推荐采用安森美半导体系列用于汽车的开关稳压器，如NCV51411、NCV8842、NCV8843、NCV33063、NCV33163、NCV3063、NCV3163、LM2576、LM2575及NCV2574等。这些开关稳压器具有较高的效率，避免产生大量的放热，保护芯片，提升系统可靠性。这些汽车应用的开关稳压器驱动电流多数在0.5A至1.5A之间，有的达到2.5A(NCV33163)，开关频率在50kHz至300kHz之间。以NCV51441为例，这款器件使用V控制架构，提供无可比拟的瞬态响应、极佳总体稳压精度及最简单的环路补偿。这款器件上的“BOOST”引脚支持“充当启动电路(Bootstrapped)”工作，将能效提升至最高；集成的同步电路支持并行电源工作或将噪声降至最低。
3 车身网络要求及发展趋势
可以应用于汽车中的系统总线有多种，如控制器区域网络(CAN)、本地互连网络(LIN)及FelxRay等。这些总线的特点各不相同，表1比较了汽车应用中几种常见的系统总线，并列出了典型的安森美半导体总线收发器产品。
安森美半导体的总线收发器系列非常适合车身控制网络应用要求。图3(a)及图3(b)分别显示了基于安森美半导体CAN收发器AMIS-42665及LIN收发器NCV7321的典型电路。值得一提的是，AMIS-42665提供小于的10μA的极低静态电流。支持总线唤醒，共模电压范围-35V至+35V，可以承受额定+/-8kV的静电放电(ESD)脉冲。NCV7321则支持-45V至+45V的电压范围，承受额定5kV的ESD脉冲。这些器件均提供强大的保护功能。
在车身控制网络应用中，需要尽可能地配合降低成本及空间要求，同时提升系统的稳定性和长期可靠性，故需要提升元器件的集成度。得益于近年来出现的混合信号工艺，如安森美半导体的Smart Power高压BCD工艺，高压模拟电路如今能够与低压电路集成起来，使更高集成度的系统芯片得以开发和应用。如安森美半导体的NCV7440在同一颗芯片上集成了线性稳压器及CAN收发器，NCV7420则集成了线性稳压器及LIN收发器。这样的集成有效节省PCB板空间，可以给MCU单独供电，有效遏制其它模块对MCU电源的干扰。
安森美半导体身为全球领先的高性能、高可靠性硅解决方案供应商，更为汽车车身控制网络应用推出一款超高集成度的芯片——NCV7462。这款芯片集成了线性稳压器、CAN收发器、LIN收发器、看门狗(WD)电路、低边驱动及高边驱动，将所需外部元件数量减至极少，仅占用极小的电路板空间，并帮助简化设计流程。
4 遥控上锁及开锁设计要求及解决方案
汽车中的遥控上锁及开锁的应用越来越普及。车身控制模块使用315MHz（美国、日本）或433MHz（欧洲）频率，通过高频接收和发送来实现遥控上锁及开锁功能。这类应用中的设计难点在于设计阻抗匹配电路，从而使功率损耗降至最低。此类应用的通用要求包括低静态电流、提供睡眠模式、低发射功率、高接收灵敏度、低功耗及适宜的频率范围等。而安森美半导体的ON-53480高频收发器很好地满足这些设计要求，如静态电流低至小于1μA，带有唤醒及睡眠检测功能，信号电平仅为10dBm，接收灵敏度更是低于-100dBm，且工作电流仅为10mA，频率范围为280MHz至343MHz。
5 板外大功率负载驱动及方案比较
车身控制模块电路板需要为板外的一些大功率负载供电，这些负载包括汽车内部照明（5W及10W）、单向电机和汽车喇叭等。一种可选的方案是采用板内继电器。继电器的线圈属于感性负载，而感性负载在启动时需要比维持正常工作所需电流大的启动电流，且感性负载在接通电源或断开电源的瞬间会产生反向电动势。要驱动继电器，可以采用安森美半导体的NUD3124、NUD3160或NCV7608等继电器驱动器。
另一种方案是采用“预驱动器+MOSFET”来驱动板外大功率负载。其中预驱动器可以采用安森美半导体的NCV7513A，该器件支持并行端口及SPI端口通信，可编程，提供失效模式检测及短路和断路诊断功能。
第三种方案是采用SmartFET驱动。这是带保护的MOSFET，在MOSFET基础上增加了多种功能，如过压
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