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2019/01/31

下一代車門區系統IC 將大力提高能效並推進汽車電氣化

近年來,汽車電氣化是大勢所趨,汽車電氣化不只是引入純電動汽車,還是不斷地用電控技術取代傳統機械部件和機械繼電器,或者在某些情況下引入新的功能。

汽車大規模電氣化正在推動自動駕駛向更高級別發展,從中長期看,許多車輛可能被視為“無人駕駛出租車”。根據這一新的汽車駕駛概念,車門內的所有功能都將實現自動化,例如,智能自動開門和防碰撞檢測。這些自動化系統將能檢測到行人或騎車人正在靠近汽車,並自動控制開門操作,以避免碰撞危險。未來車門內還將裝先進的傳感器,用於檢測車門外的障礙物,防止車門被撞壞。

大趨勢的產生離不開專用半導體晶片的鋪路。這些晶片需要跟隨先進的電源管理概念,驅動從LED等毫瓦級的負載到瞬間耗散功率輕易達到200W的大功率直流電機。此外,汽車電子模塊還需要配備高度標準化的通信接口,例如,CAN和LIN物理層。

如何確定一個正確的系統架構,以合理的成本實現新功能,且不會影響質量和性能,是汽車廠商面臨的一大挑戰。隨著軟硬體開發成本和復雜性不斷提高,跟上OEM廠商的性能和功能要求變得越來越困難。此外,OEM廠商還要求部署有成本效益的可擴展的解決方案,從低端車型擴展到高端汽車,在不同平台和車型上分攤開發成本。

車門區電控模塊(圖1)是一個大家熟悉的受益於可擴展驅動方法的汽車系統,這個應用概念是用一顆IC驅動車門區的多個負載(門鎖電機、可調可折疊後視鏡、除霜器、車窗升降電機和LED、白熾燈等照明功能)。可擴展的驅動器,封裝和軟件全系兼容,適應車門電控模塊的多樣化要求,是車門區執行機構的典型特徵。

擷取F1

在過去10餘年裡,車用半導體廠商開發出了若干個車門執行機構驅動器晶片,並隨著汽車電氣負載數量不斷增加,給這些產品增加了新功能,對封裝以及晶片製造技術和IP內核進行了優化。在車門區電子元器件中,除驅動晶片(圖2)外,還有一個電源管理IC,為電控單元提供更強的系統電源,包括各種待機模式和通信層(主要是LIN和/或HS CAN)。電源管理芯片通常集成兩個低壓差穩壓器,為系統微控制器和外設負載(傳感器等外設)供電,還包含增強型系統待機功能,以及可設置的本地和遠程喚醒功能。

圖2:
擷取F2

車門執行機構驅動器和電源管理芯片都採用意法半導體為此應用專門優化的BCD (Bipolar、CMOS和 DMOS) 半導體製造技術。車門執行機構驅動器芯片採用0.7μm BCD技術,電源管理芯片採用0.57μm BCD技術。

為順應新的汽車技術發展趨勢,汽車半導體器件必須高效、安全地控制更多的電氣負載,最大限度地降低靜態電流,同時採用高集成度解決方案,減少元器件數量,縮減電路板空間,降低產品重量,從而大幅簡化設計。

意法半導體專有的先進的0.16μm BCD8S是實現市場上獨一無二的高集成度單片解決方案(圖3)的關鍵技術,可滿足電源管理、故障保護和車門負載驅動等應用的技術需求。這項技術還能提高能效和計算能力,將芯片的結溫提高到175°C,達到汽車OEM廠商嚴格規定的標準結溫,破解單片集成電源管理和執行機構驅動器帶來的極具挑戰性的熱管理難題。

圖3:

擷取F3

意法半導體創新的L99DZ100G / GP前車門控制器芯片和L99DZ120後車門控制器芯片有助於設計人員節省空間,同時提高車門控制模塊的可靠性和能效。

以前的車門區ASSP (專用標準產品)解決方案需要2個芯片:一個12mm×12mm(TQFP64)的車門執行機構驅動器和一個10mm x 10mm(PowerSSO-36)的電源管理芯片,而意法半導體的車門區控制單片解決方案只需一個封裝面積與TQFP64相同的LQFP64(圖4),這對於PCB電路板小型化非常重要,能夠適應更嚴格的空間要求。除了利用新的BCD技術縮減裸片尺寸外,還通過新的創新封裝結構縮減封裝面積,在縮小車門系統IC的同時,提高輸出電流峰值和功率密度。

圖4:

擷取F4

全系產品軟件相互兼容,還有助於簡化開發,縮短產品市場時間。

意法半導體專有的BCD8S先進汽車技術在實現這種單片解決方案中發揮著關鍵作用。該解決方案具有多種功能,包括內置半橋和高達7.5A的高邊驅動器,可滿足車門區應用的新要求。該解決方案還集成高速CAN(HS-CAN)和LIN 2.2a接口(SAE J 2602)、控制模塊和保護電路。除標準特性功能外,L99DZ100GP還支持ISO 11898-6 HS-CAN標準的選擇性喚醒,讓使用頻率不高的ECU進入睡眠模式,同時保持與CAN總線的連接,最大限度地提高節能效果。

兩款前門控制器都集成了MOSFET半橋,可以驅動多達五個直流電機和一個外部H橋。此外,這兩款芯片還有八個LED驅動器和兩個白熾燈驅動器、一個後視鏡加熱器柵極驅動器和一個車窗電致變色玻璃控制模塊。其它特性包括外部電路(微控制器、傳感器等)穩壓器,以及相關的定時器、看門狗、復位發生器和保護功能。後門控制器L99DZ120也具有類似的功能,例如,電動車窗升降電機驅動器。

為車輛配備更多電子系統和功能有助於增加汽車的賣點,但更多的電子配置也提高了功率要求。因此,必須準確分析每個系統在各種工作條件下的功耗,尤其是純電動汽車,浪費電力就等於縮短續航里程;電氣部件越多,洩漏電流越大,這是不可避免的。因此,所有汽車製造商都非常看重靜態電流和待機電流低的產品和/或技術。大多數ECU的最大待機電流預算為100μA,所以,客戶經常說:“每個微安都很重要”。

因此,意法半導體在新車門區控制器芯片上集成一個有多種低靜態電流模式的先進電源管理模塊(待機/睡眠、定期監測、專用低電流模式LDO穩壓器、定時器、接觸設備電源)。在VBAT待機模式下,靜態電流降至10μA以下,處於7μA-8μA區間內,是雙片IC(車門區驅動IC+電源管理IC)拓撲結構的二分之一。對於車門應用,在通過外部接觸設備監測或通信接口(LIN、HS-CAN或支持選擇性喚醒的HS-CAN)物理層喚醒穩壓器之前,控制器不給微控制器(MCU)供電。

意法半導體的新車門區控制器不僅在一個封裝內整合了以前的車門區執行機構驅動器芯片和電源管理芯片,還增加了一些新功能,以更好地服務新的汽車發展趨勢。

為支持自動LED佔空比補償功能,意法半導體的新車門區控制器實現了一個新的IP模塊,內部補償算法利用電源電壓測量值修正LED驅動器功率級的佔空比,確保LED在ECU電源電壓波動時也能保持均勻的亮度。開發者可根據不同的負載靈活設置佔空比補償功能,使用不同的LED以及串聯LED,從而節省外部微處理器的負荷,並最大限度地減少SPI的數據流量。熱群集概念是新控制器的另一個新特性,發生短路等事件時,該特性可單獨禁用短路的輸出通道,其它輸出通道保持正常工作。

為了符合電動車窗安全操作的要求,新控制器還實現一個專用IP內核,在發生系統錯誤時,能夠使車窗進入安全狀態,避免車窗升降動作失控。根據安全要求,該IP內核與芯片其餘部分之間有一個深溝槽隔離層,這是BCD8s技術的另一個有價值的特性。自偏置方法使該IP模塊在電池沒電時仍能正常工作。

L99DZ100系列產品支持當前最先進的車門電子應用,不過,隨著汽車技術的發展,還將來還會湧現新的需求,例如,驅動更多的直流大功率電機。為此,意法半導體採用模塊化方法開發這些芯片,可在新配置內整合更多的IP內核,升級擴展車門區控制系統。除車門應用外,新系列產品還將被用於其它汽車系統,以最優的方式驅動負載,例如,電動後備箱蓋模塊或天窗具有類似的系統要求。未來,專用ASSP也將進入這一細分市場。

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