英飞凌推出汽车抱死制动系统ABS/ESC方案

    前言 随着经济的不断发展，人们对汽车的需求正日益加强，与之相应，汽车的消费群体也变得越来越成熟，主要表现在消费者除了关注汽车的外型外还越来越重视汽车的内在品质，其中，汽车的安全特性逐渐成为用户考虑的首要选购条件。由此，作为主要的安全系统之一的汽车防抱死制动系统(ABS)正引起越来越多的关注。下表(表1)是世界著名咨询公司Strategy Analytics对中国ABS市场的预测，从中我们可以明显地看出这种不断增长的趋势，预计在2006-2015年期间中国的ABS市场的年复合增长率将达到9.0%。

    这种不断增长的需求也促使众多的企业和科研单位加大了对ABS的研发和生产的投入，从而催生了许多新的ABS系统生产企业。这种现象在中国、韩国和印度表现得尤为明显。但这些企业生产ABS产品的历史都不长，所以一个成熟而可靠的方案对他们来说尤为重要。下面将简单介绍一下ABS系统的一般结构和特性。

ABS简介

     ABS主要通过监测汽车制动时各车轮的速度变化来判断汽车的所处的路面状况和即将发生的运动状态并根据预先设定的算法令车轮做出调整动作以避免被抱死。

    如图1所示，通常一个带ABS功能的制动系统由以下部件组成：制动主缸、比例分配阀、制动压力调节装置、制动轮缸、轮速传感器、ABS主控单元、ABS警报灯和刹车指示灯。

       在这个系统中，与ABS相关的部件主要是：轮速传感器、ABS主控单元、制动压力调节装置和ABS警报灯。其中轮速传感器主要用于测量车轮的转速，并将其信号经过初步处理后输入到ABS主控单元中去。在主控单元中一般含有一到两个微控制器，在ABS作用时，它们接收来自传感器的信息，解析出轮速，在此基础上计算出轮加速度、参考车速和滑移率等参数，并根据设定的算法推算出汽车所应采取的相应动作，然后向同样位于主控单元上的执行器件发出相应的指令。制动压力调节装置则接收此执行器件的发出的指令调节各车轮上的制动压力，以使车轮处于附着系数最大状态并防止车轮被抱死而出现纯滑动摩擦。在此过程中，轮速传感器是信号输入装置，而主要的控制部分是由ABS主控单元完成的。因此ABS主控单元必须符合下列要求：

(1)具有高速处理传感器信号的能力

    由于一些比较低端的传感器只有信号传输能力而本身没有计算能力，所以传感器的信号处理工作往往由主控单元来完成。在车辆速度较高的情况下，从传感器端输入信号的速度也会提高，而且一般的系统需要同时处理至少四个轮速信号。为了及时处理这些信号信息，主控单元必须有较强的信号处理能力。

(2)高速计算的能力

    ABS的主控单元肩负着执行预定算法的能力。它需要根据车轮的速度信息计算出汽车的各种状态信息，如车速、车加速度、滑移率等等，并根据此信息搜寻算法中的与之相符的状态，然后根据此状态预设的算法计算出应采取的各种动作和参数。这一切都需要在极短的时间内完成，所以要求主控单元有较强的计算能力。通常会在此单元上采用至少一颗16位微控制器。

(3)快速有效执行的能力

    ABS必须在车辆高速的状态下也能起到相应的作用，也就是要不断完成加压、保压、减压这个过程以控制车辆的行驶状态，所以执行器件也必须快速有效。

(4)处理大电流的能力

    由于ABS要控制多达八个阀门的运动，整个系统的峰值电流会达到一个较高的值，所以主控单元必须要有处理大电流的能力，比如器件要能通过较大的容量，器件和系统要有较强的散热能力。

(5)与其它系统通讯的能力

    ABS的轮速信息经常要被其他系统所利用，所以ABS和其他系统之间经常需要交换信息。另外，当ABS被扩展成牵引力控制系统(TCS)或者电子稳定系统(有ESC/ESP/VSC/DSC等不同名称，下文中将采用ESC这一名称)时，需要对发动机进行控制，所以需要与发动机管理系统(EMS)间的通讯。因此，ABS主控单元应该包括CAN或LIN接口。

(6)系统诊断监控和失效保护性能

    ABS是汽车最重要的安全系统之一，它的性能往往关系着车内乘员的生命安全。所以它必须能对自身进行诊断和监控，即使在失效时也能提供紧急的替代和保护措施，以保证车辆不会失控。

    上面已经提及，ABS是车辆制动系统智能化的基本形式，如在此基础上增加一些额外的设备和功能，它可以扩展成其他的系统，在此将简单介绍一下汽车电子稳定系统(ESC)。与ABS只在制动时起作用不同，ESC可以实时地监控车辆的行驶状态并在车辆出现失控可能之前通过调节相应车轮上的制动力和发动机的牵引力来及时纠正行车状态，做到防范于未然。所以ESC系统需要更多的传感器，除了轮速传感器外通常还包括横摆角传感器、横向加速度传感器和方向盘转角传感器。另外，ESC还需要增加4个阀门以控制相同回路中液压液的流向。由于ESC系统要实时处理复杂的行车状况，它的软件系统也更加庞大和复杂，这就要求它要有更快信号处理和计算能力，以及更快的响应速度。

    针对ABS/ESC的这些要求，作为一个能提供完整产品链的芯片供应商，英飞凌公司结合了与世界各主要ABS/ESC供应商几十年合作开发的成功经验推出了自己的参考解决方案。在下面的章节中，我们将对此进行详细的介绍。

英飞凌ABS/ESC解决方案

    英飞凌在与世界主要ABS/ESC供应商的合作过程中不断总结经验，并结合自己全面的产品线，开发出了独具特色的ABS/ESC参考方案供客户在此基础上开发自己的方案。经过日积月累地改进这个方案目前的版本如下图所示(图2)。这个方案图中包括了ABS和ESC两种方案。整个图描述的是一个ESC系统，如果去掉方向盘转角传感器、横摆角传感器和加速度传感器组以及右下角用来控制四个额外电磁阀线圈的芯片，剩下的器件组成的就是一个ABS系统。

     在这个方案中，英飞凌公司采用了最先进的XC2000系列产品作为主微控制器。XC2000是英飞凌基于130nm技术制造的16位微控制器系列并具有执行某些32位指令的能力。它采用了英飞凌成熟的C166S-V2架构并进行了改善，最高的时钟频率达到80MHz。该架构采用了多路数据总线技术(multiple data buses)，大部分指令都能在一个时钟周期内完成，也支持DSP技术。它具有16级中断和8个外设通道并具有极短的响应时间。XC2000系列采用了多闪存模块(Multiple FLASH modules)可以并行读取程序代码和数据。它还具有3.0V~5.5V这样较宽的电源供应范围并实现了单电压供电。XC2000系列支持1-6个CAN总线接口，通过外置或内置的FlexRay总线接口它可以实现与FlexRay总线的通讯。它有64/100/144/176数种引脚数并实现了引脚兼容，采用了绿色(无铅)小外形四方扁平(LQFP)封装，并且由于采用了增强型节能技术，其待机模式下的电流仅为约30μA，从而在体积和功耗上都达到了业界的领先水平。为了增强数据的安全性和运算的可靠性，XC2000系列采用了多项数据处理技术，如硬件ECC(Error Correction Code，包括ECC Flash和SRAM ECC技术)、Built in self test (BIST)和self repair(BISR)技术等等。此外，XC2000系列还使用了64位加密技术防止数据的泄漏。XC2000系列产品分成三个字系列，其中XC2300系列是专门针对安全应用开发的，具有极强的可靠性和稳定性。在这个方案中应用的XC2364微控制器具有最高80MHz的时钟频率、576kB闪存和50kB随机存储器(RAM)，还具有16个AD转换口，2个CAN接口和2个串行接口。这些性能保证了它能胜任比较繁重的信号处理和计算任务从而保证ABS/ESC系统的正常功能。

    除了这颗主微控制器外，这个方案还使用了一颗英飞凌的8位微控制器XC866作为备份微控制器。这是一颗具有8051内核的微控制器，除了在平时协助做一些信号处理和状态检测外，它最主要的作用就是在主微控制器失效的情况下作为备份微控制器，提供给车辆最基本的系统功能，以防止车辆进入失控状态而引起危险。

    在此方案中作为电源芯片的是一颗低压差固定电压输出稳压器TLE4271-2G。这是TLE4271的改进版，具有过温、过压、反接、短路等一系列保护，最高可承受持续400ms的65V电压，并自带watchdog监控与它相连的微控制器。该芯片性能稳定，可用于12V和24V两种电压，在正常工作状态下的输出电压的精度可达±2%并采用了对环境友好的绿色封装。

    为了配合ABS中逐渐增长的有源传感器的使用要求，此方案使用了电压跟随器TLE4250-2G作为传感器的电源。它具有较低的成本，能有效防止传感器短路对微控制器产生冲击。该芯片采用很小的SMD封装。具有较宽的输入电压范围，能输出最大50mA的电流，并对过温、反接、短路等作了保护。

    在负载端，此方案采用了BTS6143D作为所有负载线圈的总开关，并作为高边开关对系统进行保护。这是一个全保护集成型的芯片，标称电流值达到10A，且带有电流监测功能，能运用于所有的阻性、感性和电容性负载，并适用于12V和24V电压。作为低边开关的是TLE6216GP。它是一个专为ABS/ESC系统设计的四通道电磁阀线圈驱动芯片，具有全面的诊断功能，每个通道都能进行独立的安全诊断。作为电磁阀线圈的控制开关，TLE6212GP具有快速响应的特点，其响应时间为微秒级，提升了系统的性能。

    为了满足系统间通讯的需求，此方案中采用了CAN收发器TLE6250(或TLE6251)和LIN收发器TLE6258-2G。其中，TLE6250除了具有作为CAN收发器一般的功能外，更具有行业领先的静电保护和抗电磁干扰性。TLE6251还有全面的失效分析检测功能和极低的休眠功耗。TLE6258-2G兼容1.2，1.3和2.0 LIN规范，且也具有极低的休眠功耗。

    从整个系统的角度看，此方案所采用的芯片都是专门为汽车应用而设计的，具有至少−40℃~125℃的应用温度范围，并有很强的静电保护和抗电磁干扰性能。此外，这些芯片大多采用无铅材料制造，是对环境友好的绿色芯片。

    目前ABS/ESC系统正经历着快速发展阶段，比如轮速传感器正从被动式传感器向主动式传感器转换，使用功能更强大的微控制器，在系统中加入备份微控制器等等。从性能上说，上述的方案完全满足了ABS/ESC对主控单元的要求。但是，随着汽车工业的快速发展，对汽车的可靠性和轻量化的要求也在不断地提高。此外，几乎所有的厂商都面临着削减成本的压力。上述方案由于采用全分立式器件设计，所以器件的数目较多，从整个系统来看成本较高且主控单元有存在故障的可能性。另外，整个主控单元的体积可能较大。

基于集成型L-Chip的英飞凌ABS/ESC解决方案

    增强主控单元的可靠性、缩小它的体积和降低成本的一个有效手段就是减少所用芯片的数目，所以采用集成度更高的芯片成了一个必然选择。英飞凌的一块ABS/ESC专用的高集成度芯片已完成开发并将投入市场。这块芯片被命名为TLE6212，下图(图3)是基于这块芯片的英飞凌公司新的ABS/ESC参考方案的功能图。由于该芯片在这样的功能图中的形状，这样的高集成度芯片叫做L-Chip。

    如图所示，TLE6212集成了电源、Watchdog和安全监测逻辑电路、推动油泵用的MOSFET的驱动、作为高边开关的MOSFET的驱动、主动和被动式轮速传感器接口、K线收发器和两个小电流低边开关。它采用了64管脚的PGLQFP64-4封装，在保证散热的基础上实现了小巧的外形。由此，整个ABS/ESC主控单元所用的器件数将大为减少，PCB板的体积也得以减少。从成本的角度考虑，这一集成芯片的价格也将低于它所替代的分立器件的总和。

结束语

    作为汽车安全系统的重要应用，ABS/ESC正被装置到越来越多的汽车上，一个可靠而有竞争力的方案不仅关乎汽车使用者的生命安全，而且能推动市场的快速成长。本文介绍的基于英飞凌产品的ABS/ESC技术方案具有功能全面、可靠高的优点，可以帮助汽车系统供应商缩短研发进程，减少研发成本，以较快的速度推出产品切入市场。