基于XC164CS和BTS7741G的中央門鎖控制設計

如今已有越來越多的汽車采用電子車門控制系統，中央門鎖是車門控制系統的重要組成部分。本文結合車門控制模塊設計的項目實踐，重點介紹了中央門鎖部分的硬件和軟件設計，對智能功率芯片BTS7741G的工作特性及故障檢測特性進行了分析，并給出了實驗結果。

車門控制模塊的整體設計

汽車車門控制系統隨著半導體技術的發展而發展，由于傳統的繼電器、熔斷器控制方式存在種種弊端，所以迫切需要引入新的控制方式來改善車門控制的現狀，本設計是基于16位嵌入式系統的車輛門控系統解決方案。

圖1 系統結構框圖

如圖1所示，車門控制模塊主要由以下幾部分組成：電源電路、電動車窗驅動電路、后視鏡驅動電路、加熱器驅動電路、中央門鎖驅動電路、車燈驅動電路、CAN總線接口電路、RS232接口電路及按鍵接口電路等。微控制器XC164CS用于控制所有功率器件的開關動作，同時對系統狀態進行定時監控，提供合適的反饋信號以及周期性地顯示診斷信息，并通過車載網絡（如CAN）實現信息交換。由于選用的功率器件已經提供了完善的保護功能，本設計避免了采用過多的功率元件，減小了模塊體積，并提高了模塊的電磁兼容性。

中央門鎖控制硬件設計

1智能功率芯片的選擇

現有的中央門鎖多采用繼電器驅動方式。但是，繼電器驅動有諸多缺點：功率繼電器勵磁線圈驅動電流較大，需消耗較大功率且接口電路復雜；繼電器的使用使控制器體積增大，重量增加；繼電器開關頻率相對較低，觸點易抖動，很難滿足車輛在帶電情況下行駛對機械震動的要求。此外，觸點抖動會影響繼電器的壽命，且EMI嚴重，難以有效實現對車燈的過熱、過壓、短路等故障的診斷及保護，需配合熔斷器使用，以防止過流。但熔斷器一旦動作（即熔斷），電路將徹底切斷，需手動更換熔斷器。

智能功率芯片BTS7741G適合于汽車電子苛刻的應用環境。它的兩個高邊開關和兩個低邊開關具有欠壓保護、對地短路保護、對電源短路保護、熱關斷冷卻后重啟等多種智能保護功能，同時兩個高邊開關還包含故障診斷電路，通過故障反饋引腳ST可以診斷出開路故障、短路故障等故障狀態，適合用于中央門鎖的控制。

BTS7741G內含四個MOS管，兩個高邊開關和兩個低邊開關，可以靈活配置輸出方式，用作H橋或者用作單獨的開關均可。高邊開關導通電阻為110mΩ，低邊開關導通電阻為100mΩ，工作電壓可達40V。

2 中央門鎖控制驅動電路設計

BTS7741G與微控制器連接電路如圖2所示。BTS7741G用作H橋，驅動中央門鎖正轉或反轉。驅動過程靠時間來控制，電機運行一定時間（本設計取值為0.25s）產生一定的位移，實現鎖定或開鎖。電機運行時間在程序中可變。無主動制動過程，通過上管續流實現電機制動。兩次中央門鎖開關動作之間至少要有  0.5s時間間隔，保證MOS管可靠關斷。

圖2 BTS7741G與微控制器連接電路

上電后門鎖的狀態是未知的，因此微控制器首先關閉門鎖。中央門鎖的電機驅動不采用PWM調壓方式。SH2外接  1kΩ上拉電阻，由+12V電源供電，可實現在關斷狀態下的開路故障檢測。

BTS7741G對地短路實驗

雖然BTS7741G的兩個高邊開關和兩個低邊開關都具有完備的短路保護功能，但是故障反饋引腳ST卻只能反饋兩個高邊開關的短路故障狀態。所以，本設計針對BTS7741G的高邊開關做了對地短路實驗。實驗分為先短路后上電和先上電后短路兩種情況。

BTS7741G的對地短路實驗條件為+12.45V電池電壓，+5V電源供電，  1.5m短路導線(R=0.12Ω)。如圖3所示，其中VST為ST引腳對地的電壓、VIN是IH1引腳對地的電壓、VOUT是OUT引腳對地電壓，IL為發生對地短路故障時，流過BTS7741G的短路電流。

1 先短路后上電條件下的對地短路實驗

圖3 BTS7741G先短路后上電短路實驗波形圖前半段

圖4 BTS7741G先短路后上電短路實驗波形圖后半段

圖5 BTS7741G先上電后短路短路實驗波形圖前半段

圖6 BTS7741G先上電后短路短路實驗波形圖后半段

如圖3所示，在開關按下的瞬間，由于開關自身的機械結構導致了大量毛刺；瞬間浪涌電流為10A（25℃，BTS7741G的短路電流峰值典型值為10A）；輸出端電壓VOUT一直為低電平；ST故障診斷引腳在短路發生后1.4ms左右被拉低，意味著BTS7741G在此時診斷出了故障。此后，BTS7741G內部會周期性的關斷MOS管，所以短路電流IL被周期性的鉗制為0A，有效抑制了短路電流導致的芯片持續發熱，從而保護芯片不會因為短路而損壞；ST引腳的電平也會隨著短路電流的變化而周期性的被拉為低電平。如圖4所示，當芯片完全冷卻后，BTS7741G可以重新啟動，繼續正常工作。

2 先上電后短路條件下的對地短路實驗

如圖5所示，在開關按下的瞬間，瞬間浪涌電流為25A，遠遠高于25℃時BTS7741G的短路電流峰值典型值10A。但這個25A的浪涌電流僅持續不到30μs的時間立即降為10A，所以對芯片損壞不大；輸出端電壓VOUT在短路瞬間被拉低為低電平；ST故障診斷引腳在短路發生后1.6ms左右被拉低，意味著BTS7741G在此時診斷出了故障。此后，BTS7741G內部會周期性的關斷MOS管，類似于先短路后上電短路實驗，短路電流IL被周期性的鉗制為0A，ST引腳的電平也隨著短路電流的變化而周期性的被拉為低電平。如圖6所示，當短路現象消失后，BTS7741G可以重新啟動，輸出電壓VOUT為高電平，芯片沒有受到短路狀況的任何影響，繼續正常工作，充分顯示了BTS7741G完善的短路保護功能。

門鎖部分的軟件設計

門鎖軟件的算法就是在適當的狀態中控制適當的橋臂導通或者關斷。在門鎖開啟或者關閉時需要上下各一個橋臂導通，在開啟或者關斷之后需要進行續流，這時就只需要關斷下橋臂，而讓上橋臂導通一段時間即可。其具體的控制算法可以參考圖7所示的門鎖的狀態流圖。

圖7 門鎖控制狀態流圖

表1給出了門鎖的幾種工作狀態。

各個工作狀態之間的轉換并不是都由控制命令ubCmdLatch來觸發激活的。從LATCH_CLOSED到LATCH_OPENING和從LATCH_OPENED到LATCH_CLOSING這兩次轉換是由ubCmdLatch來觸發的，其意義就是在得到開啟或者關閉的命令后，門鎖從靜止的狀態開始變化到運動的狀態，也就是門鎖從關閉的靜止狀態開始開啟，或者在打開后開始關閉。在PASSAT B5電動車門中使用了電動門鎖，門鎖開啟或者閉合都是由電機帶動鎖插銷前后移動來實現的。而BTS7741G內部就是一個簡單的H橋電路，因此就是通過程序控制H橋在合適的時間開啟適當的上下橋臂，達到控制門鎖電機正反轉的目的。在LATCH_OPENING 和LATCH_CLOSING這兩個狀態中就編寫了控制一對上下橋臂管導通的命令。而在狀態LATCH_CLOSED和 LATCH_OPENED中，四個管子都不導通。

其余各個狀態之間的轉換都不是由控制命令觸發的，有些是通過定時，有些則是通過錯誤的檢測。故障檢測功能通過監視ST引腳輸出電平實現。在正常狀態下，ST引腳輸出高電平；當發生故障時，ST引腳輸出為低電平。具體的狀態切換可以從圖7中清楚的看到。例如，從狀態LATCH_OPENING到LATCH_OPEN_FREE就是計時到門鎖開啟時間（LATCH_OPENING_TIME）結束，而如果檢測到開路故障或過載故障，門鎖會一直保持在LATCH_CLOSED或者LATCH_OPENED狀態下。

通過對智能功率芯片BTS7741G的工作特性及故障檢測特性的研究與分析，對該芯片的安全性給與了肯定，確保了本設計的正確性和可靠性。