借助應用特定的 IC 簡化車門電子系統設計

作者：Steven Keeping/Digi-Key

到 2030 年，電子系統將占一輛汽車成本的 50%，其中電子產品的增長領域之一就是車門。車門電子系統設計是一項挑戰；每個車門都需要控制器、控制器區域網絡 （CAN），或者連接至其余車輛系統的本地互連網絡 （LIN） 收發器，以及多個電機驅動器和穩壓器。在設計導入時，這些器件和網絡可能會變得復雜、昂貴、笨重且耗時，因此設計人員正在尋找簡化應用和物料清單 （BOM） 的方法。

應用特定的標準產品 （ASSP） 能專門針對汽車應用而設計，可減輕設計人員的工作。此外，這些解決方案使設計人員可以根據設計的復雜性和成本限制，采用集中式或分散式方法來設計車門電子系統。

本文介紹了聯網車門電子系統的發展，并闡述了集中式和分散式方法各自的優缺點。然后，本文將探討如何使用 ASSP 來簡化集中式設計中的單個車身控制單元 （BCU） 的設計，或分散式設計中每個車門的各個 BCU 的設計。本文還將討論如何通過 CAN 和 LIN 解決方案將這些方法集成到汽車的車載網絡 （IVN） 中。我們將以來自 ON Semiconductor 的解決方案為例。

汽車電子系統和網絡功能的發展

隨著 70 年代燃油噴射裝置開始取代化油器，汽車電子系統開始需要發動機控制單元 （ECU） 來管理燃油噴射裝置。從那時起，電子系統迅速激增。現在，高檔汽車在四個關鍵領域擁有全面的電子系統：

動力總成（發動機控制、變速器控制、起動器/交流發電機）

車身和舒適性（照明、空調系統、座椅和車門、遙控無鑰匙進入）

安全性（ABS、轉向助力、安全氣囊、駕駛輔助）

信息娛樂（導航、音頻、多媒體、蜂窩連接、藍牙、遠程信息處理、儀表盤）

這些系統全都使用專用的計算模塊，各個模塊通過基于 CAN 和/或 LIN 技術的 IVN 鏈接。

CAN 是一種車輛總線標準，旨在允許計算模塊和傳感器/執行器進行通信，而無需主機。該標準會對連接進行優先級排序，從而在多個設備同時傳輸的情況下，優先處理最重要的設備以避免爭用問題，并確保關鍵功能不會延遲。CAN 太過昂貴，無法用于連接車輛中每個電子元器件，因此通常搭配使用 LIN，以將所有器件添加至 IVN。為了實現通常與乘客舒適性相關的非時間關鍵功能，LIN 會使用復雜性和成本更低的串行鏈接技術。

本文重點介紹與車門相關的電子系統。像汽車的其他部分一樣，為了方便駕駛員，車門使用的電子設備也越來越多。

大多數現代汽車都有電子控制的車窗、門鎖和后視鏡，最近還引入了防夾傷等功能。豪華車則配有外后視鏡除霜功能、外后視鏡鑲嵌轉向燈和迎賓燈。下一代高端車型將包括電致變色后視鏡控制功能，可根據其他車輛的車燈亮度使側后視鏡變暗。

分散式與集中式汽車電子控制

車門電子系統的集中式拓撲結構是當前最常用的方法，尤其對于車門功能有限的低成本汽車。BCU 是一個由 INV 系統、微處理器、執行器驅動器和分立元器件組成的模塊，通過載電線以及單獨的 CAN 或 LIN 通信接線與每個車門中的執行器相連。這種方法的主要優點是成本（僅需要一個 BCU）和可擴展性（圖 1）。

圖 1：集中式車門電子系統通過使用單個 BCU 節省成本。（圖片來源：ON Semiconductor）

但是，集中式拓撲結構在高檔車中逐漸失寵，因為它們對功能的要求更高，而這又需要更多的布線。結果，線束變得笨重、復雜且昂貴。

另一種選擇是分散式方法，即每個車門配備自己的 BCU。在這種實現方式中，大多數布線都在局部，只需為 BCU 提供一個電源（然后 BCU 從局部將電源分配給各車門執行器），并通過 CAN 和/或 LIN 連接延伸到車輛的其余部分。主要優點是線束的重量、復雜性和成本大幅降低，并且 BCU 的設計靈活性使其能夠適配特殊車門。例如，前門 BCU 需要附加功能，才能協助外后視鏡工作（圖 2）。

圖 2：分散式系統減少了線束的重量并降低復雜性。（圖片來源：ON Semiconductor）

盡管分散式拓撲結構越來越流行，但也并不表示集中式方法會退出市場失。要選擇哪種設計方法，這在很大程度上取決于成本與線束復雜度之間的權衡。

供應商提供的解決方案可簡化分散式或集中式解決方案的設計。例如，ON Semiconductor 提供各種用于車門電子系統的 ASIC、ASSP 和分立元器件；然后，設計人員可以自由選擇自己喜歡的微控制器（圖 3）。

圖 3：ON Semiconductor 提供了一系列用于分散式和集中式 BCU 的 ASIC、ASSP 和分立解決方案，讓設計人員可以自由選擇自己喜歡的微控制器。（圖片來源：ON Semiconductor）

車載網絡

無論設計人員選擇分散式還是集中式車門電子控制系統設計，他們都需要確保將 BCU 集成到 IVN 中。通過將 CAN 控制器與 CAN 收發器配對，可以形成控制器與物理總線之間的接口，從而簡化 CAN 連接。ON Semiconductor 的 NCV7341D21R2G 就是其中一款適用于汽車應用的 CAN 收發器示例。這是一款速度高達 1 Mbit/s 的 CAN 器件。該芯片配備差分接收器，具有高共模范圍，可在苛刻的汽車環境中提供良好的電磁抗擾度 （EMI）。此外，該芯片的總線引腳還具有電壓瞬變保護功能，以免因電壓瞬變而擾亂汽車電氣系統（圖 4）。

圖 4：配備 5 V CAN 控制器的 NCV7341D21R2G CAN 收發器典型應用原理圖。無論對于分散式還是集中式車門系統，該收發器都是連接到 IVN 的理想選擇。（圖片來源：ON Semiconductor）

分散式系統不僅需要 CAN 連接到 IVN，而且需要前后 BCU 之間的 LIN 連接，如圖 2 所示。前門 BCU 連接到 CAN，但為節省成本和布線，后門 BCU 通過 LIN 以菊花鏈方式連接至前門 BCU。LIN 的特點是單線連接至每個節點，從而簡化布線并降低成本。盡管吞吐量限制為最大 20 kb/s，但這足以控制門鎖、車窗和外后視鏡等設備。

對于車門安裝電子設備的 LIN 連接，ON Semiconductor 的 NCV7321D12R2G LIN 收發器是理想的選擇。該芯片包含 LIN 發射器、LIN 接收器、上電復位 （POR） 電路、熱關斷和四種工作模式（未通電、待機、正常和睡眠）。這些模式由供電電壓（VBB，5 至 27 V）、輸入信號使能 （EN） 和 WAKE，以及 LIN 總線上的活動來確定。該收發器經過優化，可實現最大吞吐量，并且由于 LIN 輸出的低壓擺率，具有良好的 EMI 特性。

LIN 拓撲使用單個主節點來控制一系列多達 16 個從節點。在分散式系統中，前門和后門 BCU 包含一個主節點，而諸如車窗控制面板等外設包含從節點，請參見圖 2。主節點將 LIN 收發器與合適的微控制器配對（圖 5）。

圖 5：主節點配置中 NCV7321D12R2G LIN 收發器的典型應用原理圖。每個主節點可控制多達 16 個從節點。（圖片來源：ON Semiconductor）

車門執行器驅動器

對于分散式或集中式拓撲，BCU 的其他關鍵元器件是執行器驅動器。驅動器是為門鎖、后視鏡、車窗和其他系統提供動力的必需器件。ON Semiconductor 提供了一款三重半橋驅動器 NCV7703CD2R2G，其專門設計用于這些汽車和工業運動控制應用。這三個半橋驅動器可通過標準串行外設接口 （SPI） 進行獨立控制，并提供 500 mA 的典型輸出和 1.1 A 的最大輸出。該芯片的供電電壓為 3.15 至 5.25 V，負載電壓為 5.5 至 40 V。

一個關鍵的設計限制是最高芯片溫度。芯片溫度不能超過 150°C，即使這會限制該器件的三個驅動器可同時使用的數量。

輸出驅動控制（和故障報告）通過 SPI 端口進行處理。EN 功能提供了器件不使用時的低靜態電流休眠模式，并且 EN、SI 和 SCLK 輸入上提供有下拉電阻，以確保它們在輸入信號中斷時默認處于低功耗狀態。

圖 6 顯示了如何在外后視鏡調節系統中使用 NCV7703CD2R2G 三重半橋驅動器。在這種布置中，來自三個半橋驅動器的輸出為兩個電機提供動力，以在 X 和 Y 方向上移動后視鏡。

圖 6：此框圖顯示外后視鏡調節應用中 ON Semiconductor 的 NCV7703CD2R2G 三重半橋驅動器，其中說明來自三個半橋驅動器的輸出如何為兩個電機提供動力，以在 X 和 Y 方向上移動后視鏡。（圖片來源：ON Semiconductor）

單個微處理器可用于控制多個 NCV7703CD2R2G 三重半橋驅動器，從而減少了車門電子系統的 BOM。要達到此目的，最有效的方法是使驅動器與每個采用多路復用控制的設備并行操作。

在串行配置中，串行串中最后一個器件的編程信息必須首先通過所有先前的器件。并行控制拓撲消除了這一要求，但代價是將處理器選擇范圍縮小為：器件具有對應于每個驅動器的片選 （CSB） 引腳。然后，串行數據僅由通過其各自的 CSB 引腳激活的器件識別（圖 7）。

圖 7：通過使用單個微處理器控制多個三重半橋驅動器，可以降低車門電子系統的 BOM 成本。（圖片來源：ON Semiconductor）

NCV7703CD2R2G 三重半橋驅動器需要在電源輸入端進行 5 V 調壓，以實現內部操作。ON Semiconductor 的 NCV8518BPWR2G 線性穩壓器是滿足此要求的理想選擇。該芯片具有 5 V 固定輸出，可在 ±2% 的范圍內進行調節。該器件適用于所有汽車環境，典型的低壓差為 425 mV，低靜態電流為 100 μA。安全功能包括熱關斷、短路保護，以及能夠承受高達 45 V 瞬態電壓。該線性穩壓器還可用于為 BCU 的微處理器供電（圖 8）。

圖 8：NCV8518BPWR2G 線性穩壓器非常適合為 BCU 上的執行器驅動器和微處理器提供 5 V 輸出。（圖片來源：ON Semiconductor）

對于要求成本更低的車門電子系統零件，另一種線性穩壓器選擇是 NCV8184DR2G。該芯片可提供 -3.0 至 45 V 之間的可調緩沖輸出電壓，并且會緊跟 （±3.0 mV） 基準輸入。工作電壓為 4.0 至 42 V。

NCV8184DR2G 的一個很有用功能是，在常規配置中，它可以承受汽車電池短路的影響而不會損壞（圖 9）。當由較低電壓的隔離電源供電時，該芯片同樣可承受電池短路。

圖 9：NCV8184DR2G 是低成本 BCU 電壓調節選擇，可以承受汽車電池短路。（圖片來源：ON Semiconductor）

分立元器件

除了用于 IVN、執行器驅動器和電壓調節的單片器件外，ON Semiconductor 還提供一系列用于車門電子系統的分立元器件，例如汽車級齊納二極管。這些器件提供瞬態電壓抑制 （TVS） 功能，可防止 BCU 中的敏感硅元件因雷擊和靜電放電 （ESD） 等外部因素引起的電壓尖峰而受損。（有關汽車電子系統保護的更多信息，請參見 Digi-Key 文庫文章《設計導入 TVS 二極管保護提升了 CAN 總線可靠性》。）

齊納二極管的第二個應用是與電阻器和 MOSFET 相結合，構成廉價、緊湊型線性穩壓器的基礎。線性穩壓器可以由分立元器件組裝而成，用于調節來自汽車電池的供電電壓，以便為執行器前級驅動器和驅動器供電（圖 10）。汽車電池可提供約 14 V 的電壓，而 NCV7703CD2R2G 三重半橋驅動器的供電電壓 （VS） 可介于 5.5 V 和 40 V 之間。當汽車電池輸出的電壓發生變化時，這種簡單而廉價的齊納二極管線性穩壓器可為車門電子系統保持穩定的電壓。

圖 10：車門電子系統 BCU 的一部分顯示了由分立元器件組裝而成的線性穩壓器（突出顯示）。該器件將汽車電池電壓 （Vbat） 調節為執行器電橋所需的供電電壓 （VS）。（圖片來源：ON Semiconductor）

此應用的合適齊納二極管是 ON Semiconductor 的 SZBZX84C5V1LT3G。這是以緊湊型 SOT-23 封裝提供的汽車 （AEC-Q101） 級齊納二極管。這些器件可在最小空間要求的情況下提供電壓調節功能。該齊納二極管的最大功耗為 250 mW，齊納擊穿電壓能力范圍為 2.4 至 75 V，具體取決于所選的元器件。

完整的穩壓器需要一個電阻來限制流過齊納二極管的電流。為了進行調節，選擇的電阻應允許足夠的電流流向負載和齊納，但又不能太多。該齊納穩壓器具有高源阻抗，因為所有負載電流都必須流過限流電阻，從而限制了穩壓器可以提供給負載的電流量。通過使用源極跟隨器（如圖 10 中所示的 MOSFET）來緩沖齊納二極管的輸出，可以克服此限制。

總結

隨著汽車制造商在車輛中增加更多功能，車門電子系統變得越來越復雜。這種趨勢使工程師更加難以設計出滿足嚴格的成本、重量、空間和可靠性限制的系統。

如上所述，為滿足汽車標準而設計的 ASIC、ASSP 和分立元器件可以相互補充，從而減輕設計難題，并允許采用模塊化方法進行車門電子系統設計。這樣的方法可以在保持優異性能和可靠性的同時，更輕松地滿足規格和 BOM 限制。
編輯：hfy