车身控制模块需求分析与具体方案详解

车身控制模块设计要求及安森美半导体解决方案

　　随着人们对汽车的操控性及舒适性需求不断升高，汽车车身中的电子设备越来越多，如电动后视镜、中控门锁、玻璃升降器、车灯乃至其它更多的高级功能等。 应用环境苛刻的车身控制模块(BCM)对元器件提出了更高的要求。本文探入探讨BCM设计在电源、车身网络及板外大功率负载驱动等多个方面的要求，并比较分析了一些领域中不同方案的优劣势。

　　安森美半导体针身为全球领先的高性能、高能效硅方案供应商，针对车身控制模块等汽车应用提供具有强固保护特性、高可靠性、低静态电流的解决方案，如电源稳压器、总线收发器、高频收发器、继电器驱动器、预驱动器、电机驱动器、LED驱动器及MOSFET等，帮助设计人员为他们的BCM设计选择更佳的元器件方案，从而在市场上占据优势。

图1：典型车身控制模块(BCM)的系统架构。

电源要求及方案选择

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　　典型车身控制模块(BCM)设计重要的一步是确定电源要求，以及选择合适的电源方案。一般而言，BCM 要求的输入电压在-0.5 V 至32 V 之间，输出电压为5 V或3.3 V。值得一提的是，汽车内的用电设备越来越多，如果电池直接供电的设备静态电流不够低，而汽车连续停泊较长时间，车内蓄电池可能因为过度放电而使汽车无法重新启动，故BCM 设计需要考虑静态电流。此外，汽车应用中可能会常常面对高温环境，所以要求电源提供过温保护。

　　适合于BCM 的电源包括线性电源(或称线性稳压器)和开关电源(或称开关稳压器)。这两种电源各有优势，究竟选择何种电源，还要看具体应用。在车身控制模块的供电电源方面，中国市场上所售汽车中，轿车一般采用12 V 电源，而卡车和客车一般采用24 V 电源。在12 V 电源BCM 中，推荐采用安森美半导体的线性稳压器，如NCV4275A 等，见图2。NCV4275A 是一款带复位和延迟功能的5 V、3.3 V/450 mA 低压降(LDO)线性稳压器，这款器件支持可编程微控制器复位，并提供多种特性，如过流保护、过温保护、短路保护等。此外，在下图中位置1 处串联一个二极管(MRA4005)，这线性电源能有效防止高达-42 V 的反向电压；在位置2 处并联一个瞬态电压抑制器(TVS)管，可以有效阻止高达+45 V的瞬态电源负载突降(load dump)高压脉冲及不稳定的电源杂波，符合12 V 汽车电源系统的ISO16750-2-2003 4.6 过压测试规范。实际上，在汽车发动机启动瞬间就可能出现负载突降，从而导致电池电压升高至超过40 V。这些特性让NCV4275A 非常适合汽车车身控制模块应用。

　　实际上，NCV4275A 仅是安森美半导体针对汽车应用的宽范围线性稳压器中的一款，其它线性稳压器有如NCV8664/5、NCV4949、NCV8503/4/5/6、NCV4274A等。超低静态功耗的产品，静态电流低至30 μA 以下，驱动电流范围在100 mA至450 mA 之间。

图2：车身控制模块中线性电源典型应用电路示意图。

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　　24 V 电源的BCM 应用中，需要将24 V 电压转换至5 V 或3.3 V，如果采用线性稳压器，电源芯片本身就会有很高的功率消耗，产生大量热量导致温度过高而烧坏芯片，所以我们需要采用开关稳压器，我们推荐采用安森美半导体系列用于汽车的开关稳压器，如NCV51411、NCV8842、NCV8843、NCV33063、NCV33163、NCV3063、NCV3163、LM2576、LM2575 及NCV2574 等。这些开关稳压器具有较高的效率，避免产生大量的放热，保护芯片，提升系统可靠性。这些汽车应用的开关稳压器驱动电流多数在0.5 A 至1.5 A 之间，有的达到2.5(NCV33163)，开关频率在50 kHz 至300 kHz 之间。以NCV51441 为例，这款器件使用V2 控制架构，提供无可比拟的瞬态响应、极佳总体稳压精度及最简单的环路补偿。这款器件上的“BOOST”引脚支持“充当启动电路(Bootstrapped)”工作，将能效提升至最高；集成的同步电路支持并行电源工作或将噪声降至最低。

车身网络要求及发展趋势

　　可以应用于汽车中的系统总线有多种，如控制器区域网络(CAN)、本地互连网络(LIN)及FelxRay 等。这些总线的特点各不相同，表1 比较了汽车应用中几种常见的系统总线，并列出了典型的安森美半导体总线收发器产品。

表1：不同汽车总线比较及典型收发器。

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　　安森美半导体的总线收发器系列非常适合车身控制网络应用要求。图3a)及b)分别显示了基于安森美半导体CAN 收发器AMIS-42665 及LIN 收发器NCV7321 的典型电路。值得一提的是，AMIS-42665 提供小于的10 μA 的极低静态电流。支持总线唤醒，共模电压范围-35 V 至+35 V，可以承受额定+/-8 kV 的静电放电(ESD)脉冲。NCV7321则支持-45 V 至+45 V的电压范围，承受额定5 kV 的ESD 脉冲。这些器件均提供强大的保护功能。

图3：基于安森美半导体收发器的典型CAN 电路(图a)及LIN 电路(图b)。

　　在车身控制网络应用中，需要尽可能地配合降低成本及空间要求，同时提升系统的稳定性和长期可靠性，故需要提升元器件的集成度。得益于近年来出现的混合信号工艺，如安森美半导体的Smart Power 高压BCD 工艺，高压模拟电路如今能够与低压电路集成起来，使更高集成度的系统芯片得以开发和应用。如安森美半导体的NCV7440 在同一颗芯片上集成了线性稳压器及CAN 收发器，
NCV7420 则集成了线性稳压器及LIN 收发器。这样的集成有效节省PCB 板空间，可以给MCU 单独供电，有效遏制其它模块对MCU 电源的干扰。

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　　安森美半导体身为全球领先的高性能、高可靠性硅解决方案供应商，更为汽车车身控制网络应用推出一款超高集成度的芯片——NCV7462。这款芯片集成了线性稳压器、CAN 收发器、LIN 收发器、看门狗(WD)电路、低边驱动及高边驱动，将所需外部元件数量减至极少，仅占用极小的电路板空间，并帮助简化设计流程。

遥控上锁及开锁设计要求及解决方案

　　汽车中的遥控上锁及开锁的应用越来越普及。车身控制模块使用315 MHz(美国、日本)或433MHz(欧洲)频率，通过高频接收和发送来实现遥控上锁及开锁功能。这类应用中的设计难点在于设计阻抗匹配电路，从而使功率损耗降至最低。此类应用的通用要求包括低静态电流、提供睡眠模式、低发射功率、高接收灵敏度、低功耗及适宜的频率范围等。而安森美半导体的ON-53480 高频收发器很好地满足这些设计要求，如静态电流低至小于1 μA，带有唤醒及睡眠检测功能，信号电平仅为10 dBm，接收灵敏度更是低于-100 dBm，且工作电流仅为10 mA，频率范围为280 至343 MHz。

板外大功率负载驱动及方案比较

　　车身控制模块电路板需要为板外的一些大功率负载供电，这些负载包括汽车内部照明(5 W 及10 W)、单向电机和汽车喇叭等。一种可选的方案是采用板内继电器。继电器的线圈属于感性负载，而感性负载在启动时需要比维持正常工作所需电流大的启动电流，且感性负载在接通电源或断开电源的瞬间会产生反向电动势。要驱动继电器，可以采用安森美半导体的NUD3124、NUD3160 或NCV7608 等继电器驱动器。

表2：板外大功率负载驱动方案优缺点比较

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　　另一种方案是采用“预驱动器+MOSFET”来驱动板外大功率负载，其中预驱动器可以采用安森美半导体的NCV7513A，这器件支持并行端口及SPI 端口通信，可编程，提供失效模式检测及短路和断路诊断功能。

　　第三种方案是采用SmartFET 驱动。这是带保护的MOSFET，在MOSFET 基础上增加了多种功能，如过压钳位、ESD 保护、过流保护、过温保护、反压保护及高边和低边驱动。典型器件如低边驱动的NCV8401/2/3，及用于高边驱动(内部集成了升压电路)的NCV8450 和NCV8460 等。这三种方案的优缺点见表2。

应用于BCM的其它方案

　　除了上述板外大功率负载，汽车应用中常见的电动后视镜方面，可以采用安森美半导体的NCV7703 来驱动其中的转向电机。这器件提供3 个半桥输出，输出电流为0.6 A，最高达1 A，并具备自诊断功能，提供低静态电流、SPI 通信及低压/过压/过温保护等特性。

　　此外，车身控制模块需要采集车门、车锁、组合开关等数十个信号，往往需要扩展MCU 的输入端口，这就需要并行端口转串行端口的逻辑转换芯片，常用的是安森美半导体的8 位移位寄存器MC14021B。

　　安森美半导体还为组合尾灯提供不同的解决方案。如NCV7680 是一款8 通道低边恒流驱动器，能以脉宽调制(PWM)方式设定尾部行车/刹车电流输出，而NSI45xx 则是新推出的恒流线性稳压器(CCR)，基于安森美半导体待批专利的自偏置晶体管技术，以低成本、强固等特点提供较高性能，着眼于替代一些汽车尾灯中使用的电阻型驱动器。

总结：

　　应用环境苛刻的车身控制模块(BCM)对元器件提出了更高的要求。本文探入探讨BCM 设计在电源、车身网络及板外大功率负载驱动等多个方面的要求，并比较分析了一些领域中不同方案的优劣势。安森美半导体针身为全球领先的高性能、高能效硅方案供应商，针对车身控制模块等汽车应用提供具有强固保护特性、高可靠性、低静态电流的解决方案，如电源稳压器、总线收发器、高频收发器、继电器驱动器、预驱动器、电机驱动器、LED 驱动器及MOSFET 等，帮助设计人员为他们的BCM 设计选择更佳的元器件方案，从而在市场上占据优势。