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BCM硬件设计的平台化和半导体化

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深圳逸盛通科技有限公司

时间 : 2018-09-27 23:19 浏览量 : 30

BCM硬件设计的平台化和半导体化


1. 前言

BCM是车身(包括24V商用车和12V乘用车)电子的重要内容,BCM是Body Control Module的缩写。主要任务之一是灯光控制,包括前灯、侧灯、尾灯和室内灯,以及控制一些加热附件、雨刮继电器等。另外可选的任务是包含网关功能,处理整车通讯信息。本文主要讨论BCM系统的硬件设计,设计的原则是根据负载特性选择不同的驱动方式,达到控制相关负载的目的。此外,本文对功率损耗分析、诊断等关键内容进行了详细阐述。

2. 负载

负载是控制器的控制对象,在设计ECU之前,必须对控制对象的电气特性有明确理解。了解电气特性主要从负载类型和驱动类型两方面考虑。

2.1 负载类型

负载是BCM模块ECU的控制对象,主要有阻性、容性和感性负载三类,如图1所示。

图1: BCM 负载类型

其中,需要说明的是阻性负载中除了具有加热功能的电阻丝外,LED也属于阻性负载。LED与传统发光器件白炽灯不同, LED导通后,导通电压和电流成线性关系,符合欧姆定律。由于LED本质是二极管,在导通之前,LED呈高阻状态,从全范围来看LED是包含两个电阻状态的阻性负载。白炽灯和氙灯是容性负载,但是在物理意义上,其灯丝仍是金属材质,具有温变电阻特性,表现为在低温时电阻极小,高温时电阻较大的特性,而白炽灯和氙灯在照明时温度较高,此时的灯丝电阻为其额定工作电阻。(英飞凌igbt厂家

2.1.1 容性负载白炽灯

白炽灯和氙灯启动过程中,由于灯丝冷态电阻极低,表现出来的启动电流极大,这个电流类似于初始电压很小或者为零时的电容充电电流,也称这个电流为浪涌电流(Inrush Current)。由于白炽灯和氙灯的启动过程类似电容充电,所以被称为容性负载,如图2(a)、(b)所示 。 灯负载是BCM模块的主要负载,常见的法规强制要求灯负载如表1所示。

图2: (a) H1 bulb(55w)启动电流示意图; (b) 汽车前灯示意图
表1:法规强制要求灯负载(括号中为北美法规要求)

2.1.2 阻性负载LED

LED即发光二极管(light emitting diode),是一种可以将电能转化为光能的具有二极管特性的半导体光源。LED基本结构为一块电致发光的PN结,封装在环氧树脂中,通过针脚作为正负电极并起到支撑作用,有表贴和插件两种封装。发光二极管的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。当在电极上加上正向偏压之后,使电子和空穴分别注入P区和N区,当非平衡少数载流子与多数载流子复合时,就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。其发光过程包括三个部分:正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。图3所示是典型的LED结构图。

image.
图3:LED典型结构图

LED发光颜色由材料决定,材料不一样导致了不同的颜色。发光管发出白色是几种颜色的混合,不能直接发出白光。理论和实践证明,光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关,即:λ≈1240/Eg(mm) 式中Eg的单位为电子伏特(eV)。若能产生可见光(波长在380nm紫光~780nm红光),半导体材料的Eg应在3.26~1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管,但其中蓝光二极管成本、价格很高,使用较少。LED的一个重要参数是正向导通电压VF,这个值一般是定义在正向导通电流在20mA下。不同颜色LED的正向导通电压不一样,如图4所示。表2总结了各种颜色LED的波长、正向电压、材料和发光颜色间的关系。可以看出,波长越小,正向电压越大。

表2:LED 颜色特性
图4:LED正向电压特性

实际应用中,除了考虑如图5所示LED的伏安特性曲线还需考虑温度特性,以欧司朗某纯绿光LED为例,最大正向电流在温度大于70摄氏度时需要降额使用,这是由LED产品本身的热阻和功耗决定的。另外,由于LED是光源,需要考虑其光电特性,其光通量与正向电流正相关,正向电流IF越大,光通量越大,另外光通量也受温度影响,温度越高,光通量越小,如图6所示,图中用相对光通量来表示光通量。

图5:纯绿光LED 伏安特性和正向电流温度特性
图6:绿光LED 相对光通量及其温度特性

2.1.3 感性负载

感性负载中,雨刮电机、风扇电机、电磁阀和继电器是常见的负载,本质上是不同感值的线圈绕组。值得指出的是,线束也具有感性负载特性,在电池抛负载即电池两极和线束之间的连接突然丢失时,会在线束上产生一个电压尖峰,这个尖峰的产生是由于线束的寄生电感引入的。线束的长度在汽车或者卡车应用中不可以忽略不计,线速的等效电阻和寄生电感需要在ECU的设计中加以考虑。图7所示为继电器结构图,电磁阀的结构稍微有差异,原理类似。继电器更多的是控制电流的开和关,电磁阀的控制对象更多的是流体,如汽油,柴油等。对电磁阀而言,控制电路中的开关采用高边驱动较多,如汽车安全系统中的ABS控制器中的各种电磁阀,而在车身系统中的继电器由于驱动电流较小,多采用低边驱动。感性负载驱动需要注意的是关断时高边会出现反向电压,低边会出现正向电压,使得高低边开关的两端电应力加大,在实际应用中必须采取措施限制这个电压应力。图7是高边驱动感性负载的关断示意图。

图7:继电器结构及其典型高边驱动波形图

在实际驱动继电器或者电磁阀时,需要特别注意关断瞬间的问题。由于感性元件具有储能的作用,根据电磁感应定律,电感线圈上会产生一个感应电动势,这个电动势会使得电流保持原来的方向不变,即续流作用,对高边负载来说,输出端会产生一个对地负压,如图7所示。从而使得高边MOS的源漏电压Vds加大,如果这个电压超过一定值会导致高边功率器件击穿。因此需要对这个电压进行钳位,防止开关管过压击穿。英飞凌公司的智能高边器件具有有源钳位功能,钳位后能确保源漏电压Vds稳定在安全电压范围内。在钳位过程中,开关管自身消耗掉感性负载的存储能量,如果这个能量值对开关管而言是固定的,由开关管的热特性决定,因此在匹配开关管和感性负载的时候需要考虑这个能量值是否匹配。具体由公式(1)决定:

假定电感等效电阻RL为零,可得简化公式:

2.2 驱动类型

在BCM设计中涉及到许多负载,对应不同的负载会采用不同的驱动类型,主要包括开关驱动和LED驱动两类。

2.2.1 开关驱动

驱动类型主要是从驱动负载的电路拓扑加以考虑,主要有高边驱动、低边驱动、半桥驱动和全桥驱动(包括两相全桥和三相全桥)四种,如图8所示。

图8:四类主要驱动拓扑

这四种拓扑常采用开关器件来实现,开关器件种类很多,其中常见的有机械开关和半导体开关两种,出于能效和寿命方面的优势,目前半导体开关是BCM设计中的主流选择。半导体开关中有三极管、MOSFET和IGBT等。在车身电子中,大多数负载采用带保护和诊断的MOSFET来驱动。英飞凌作为全球第一大功率器件供应商,为客户提供了丰富的功率器件家族供选择,如表3所示。

表3:英飞凌驱动IC

对于负载采用何种拓扑来驱动一般由OEM来决定,因为这和线束的设计有关,从功能上来说,有些负载比如阻性负载,既可以采用高边驱动也可以采用低边驱动,甚至半桥。另外对于电机来说,如果是单向运行采用半桥即可,双向运行则需要使用全桥。值得指出的是由于高边可以带来线束上的节省,在整车中负载的驱动中越来越多地采用高边驱动。

2.2.2 LED驱动

目前在汽车领域应用中存在白炽灯和LED照明都存在的情况,基于平台化设计的理念,需要兼容白炽灯和LED两种负载。 从前文叙述可知,一般使用高边开关来驱动白炽灯,也可以用高边开关Profet来驱动LED,但是因为LED的驱动电流较小,需要选用导通电阻较大的功率管。这种直接采用限流电阻恒压驱动的方式多针对LED电流较小的应用,在LED电流较大时,电阻上消耗的功率较大,照明效率降低。此外,这种简单恒压驱动方式不能抑制电压波动带来的影响,容易造成LED的亮度变化,因此这种驱动方式对亮度比较敏感的应用不适用。从LED伏安特性来看,正向电压大于导通电压VF之后,微小的电压变化会导致较大的电流变化,从控制的角度来看,控制电流更容易构建一个稳定的控制系统;另外从光通量的角度出发,光通量由正向电流决定,所以控制电流更具有光学物理意义。为了消除电压波动带来的影响,采用线性恒流源控制输出电流,高边开关做开关使用。如图9所示。图9所示的驱动拓扑更多的是考虑和白炽灯驱动做兼容,便于平台化设计。

图9:LED恒压驱动和线性恒流驱动示意图

当驱动电流更大时,比如驱动电流达1A左右时,线性恒流源的损耗加大,效率降低明显。此时,为了提高照明效率,采用DC-DC驱动方式,如图10所示。DC-DC驱动方式有恒流和恒压驱动两种方式。直接驱动LED时,采用恒流驱动,如果做前级调压时,采用恒压控制,这种方式在单独驱动多个LED串时适用,每个LED串可单独控制。四种驱动方式各有优缺点,总结如表4所示。

图10:LED DC-DC恒流驱动和DC-DC恒压驱动示意图
表4:四种LED驱动方式对比

3 关键设计步骤

在分析和了解控制对象后,可以根据OEM提供的系统需求设计车身控制模块BCM。 基本设计步骤包括电源和负载分类、功耗和热设计以及保护诊断功能设计三大部分。

3.1 电源和负载分类

电源通常分为常开电(CL15)和常闭电(CL30),如图11所示。

图11:常开电和常闭电示意图

除了CL15和CL30的区别外,一般OEM会根据负载类型和功能,对不同的负载配以不同的电源线,也就是说从配电盒分出的12V电源线不止一路,具体路数不同的OEM有不同的定义,具体路数会在4~8路之间。

3.2 功率器件

选择功率器件主要是对功率器件工作时静态和动态的电应力进行计算和评估。进行这些计算主要需要考虑的外部因素包括供电电压、温度、负载和安装方法,如表5所示。

表5:器件选型考虑因素

下面以感性负载计算举例说明器件选择过程,如表6所示。

表6:器件选型示例

以上计算未考虑功率器件导通电阻随温度变化的特性,而是以最大电阻作为计算值,实际温升要小于以上计算值,精确的计算需要根据温度变化调整导通电阻的值进行温升计算,一般采用软件仿真来进行。图12是英飞凌公司内部软件热仿真结果,300秒后温度上升至103.9℃,小于以上固定导通电阻计算结果115.6℃。

3.3 保护和诊断

汽车运行的高可靠性要求半导体器件具有各种保护功能,并在失效后MCU能知晓失效信息,并能将这些信息能告知用户,常见的诊断技术和保护技术如表7所示。

表7:诊断和保护

在针对各种负载选择合适的驱动元器件之后,硬件设计工作第一阶段初步完成,接下来需要做的是原理图设计、PCB设计和软硬件调试,这些内容不属于本文讨论的问题,以后会有专门的文章讨论相关技术问题。图13是BCM常见负载选型框图。

图13:BCM常见负载选型示意图

4 设计趋势

目前BCM设计技术日新月异,主要的趋势是平台化灵活性更高,集成度更高和分布式设计者三大方向。另外随着ISO26262安全规范的推行,关于功能安全的考虑在BCM设计中将会得到更多的体现。

4.1 集成度和灵活性

随着汽车电子的发展,目前BCM设计的趋势是平台化和高集成度化两个趋势。平台化SBC、SPI器件、共用ADC,以及高低边可配等。 主要通过器件的兼容性来实现。集成度主要是提高器件的集成度,例如采用系统基础芯片将电源、CAN收发器、LIN收发器集成到一个芯片上,在功率输出方面采用SPI控制的多通道器件实现集成。英飞凌半导体在这两方面均有丰富的产品链,如TLE826X和TLE926X系列SBC器件,多路高低边SPOC和SPIDER家族。图14(a)是BCM平台化示意图。

4.2 分布式系统

分布式系统是车身电子发展的又一大趋势,由于车身系统中的负载较多,而且分布位置各异,位于车头、侧位、尾部和车内,随着负载数目的日益增加,如果每个负载均使用线速直连控制,会造成庞杂的线束系统,增加了车身的成本和重量。为了改善布线架构和降低线束重量,车身系统中大量采用分布式ECU,即大量采用总线控制,终端负载通过ECU以节点的方式挂载到总线上,在车身系统尤其多采用LIN Slave结构,如照明系统、座椅系统和空调系统等。英飞凌半导体提供了LinSlave的全套解决方案,其中典型的产品是ePower TLE983X系列,尤其适合车身应用中的电机控制,如图14(b)所示的智能车窗电机驱动,另外针对氛围灯RGB调色的LIN节点芯片TLE730X和TLE739X系列。

图14:(a) BCM平台化设计示意图 图14; (b) 分布式智能车窗控制示意图

5 实验结果

本文根据对国内外商用车BCM(24V电池供电)负载情况调研结果,给出了24V系统的BCM平台参考设计。图15是24V BCM的设计系统框图,包括微处理器、功率芯片、电源、输入开关和通信模块等部分,图中给出了负载和相关驱动的型号。该BCM目前已经通过了实验验证,图16是实验验证模拟,包括输入板、BCM和负载板三大部分组成。后续将进行实车测试。

图15: 24 BCM系统框图

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图16:BCM实物模拟验证系统


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