LIN及混合信号工艺的发展提升汽车传感器与传动装置性能

电子产品在汽车中日益突出的重要性引发了对低成本、高可靠性传感器及传动装置日益增长的需求。这些器件并非独立存在，而是必须与系统的主电子控制单元 (ECU) 进行通信。过去的传感器／传动装置通信通常采用单向模拟信号，每一远程设备都采用自己的专线与 ECU 连接。由于汽车环境充满电气噪声，因此很难在这些线路上保持信号完整性，而且系统的可靠性也会受到影响。布线会带来其他问题 ——占用空间，增加重量及成本且难以维护。幸好数字多路复用通信技术可以解决上述问题，这种技术可以保持信号完整性，减少所需线路数量并提供实现整台车辆智能控制的新机会。 　　当今的两大趋势——汽车通信总线标准化及半导体技术正推动着智能化更高的传感器与传动装置的发展，同时还通过高效的通信来扩展汽车电子系统的应用领域。局域互联网 (LIN) 总线架构现已经发展到 2.0 版，能够满足对传感器／传动装置简单通信方案的需求，可通过标准化降低成本并提高鲁棒性 。LIN 标准的面世还迎合了混合信号半导体工艺技术的发展，它们一起可以实现传感器和传动装置连接到单个集成电路 (IC) 所需要的所有典型功能。而且，LIN标准和高级混合信号工艺还一起为汽车制造商带来了引入低成本、新型电子系统与降低现有系统成本的机遇。在为车主带来高度便利性及安全性的同时，它们还可以提高维护性能和可靠性。 [b]退而求次 [/b]　　在目前的汽车电子总线标准中，LIN 能够提供满足传感器及传动装置信号传输需求的最佳解决方案。有多种专有解决方案可以通过脉宽调制 (PWM) 或可调脉宽 (VPW) 等简单方案将信号进行数字化传输。这些方案都基于各种物理层 (PHY) 设计，在这些方案中，每个传感器或传动装置一般都需要一条通信线路，而且传感器到 ECU 或 ECU 到传动装置的通信一般采用单向输出。因此，这些网络架构不能实现双向通信及诊断，从而限制了它们的用途。另外，由于它们属于专有解决方案，从而影响行业通过实施开放标准实现规模经济与设计再利用。 　　变通的选择是采用成熟的通信标准（如：控制局域网 (CAN) 总线）在传感器／传动装置接口与 ECU 之间传输信号。但是，CAN 及类似的通信一般需要采用微控制器和辅助电路，以至于产生超出传感器及传动装置所需要范围或合理范围的复杂性和成本。此外 CAN 还基于双线总线，而最佳解决方案只需采用一条线路实现低速、低成本通信。 [b]简单的开放式标准 [/b]　　尽管 LIN 最初的设计目标是车体电子，但是它在新应用中同样有用武之地，其中之一就是传感器/传动接口。LIN 2.0 指定的 20.0kbps 数据速率足以满足大多数传感器及传动装置的需求，而且 LIN PHY 与协议控制器可以轻松集成到用于远程设备的混合信号集成电路中。LIN 2.0 规范包含描述物理层与数据链路层的协议定义；另外该规范还包含定义系统配置及网络节点间通用接口的配置语言说明，该说明也可用作开发及分析工具输入资料；同时包含针对附加软件的应用编程接口 (API) 定义。作为 LIN 联盟专门为汽车应用定义的标准，该标准可实现无缝的开发及设计工具链，同时提高网络的开发速度与可靠性。 　　LIN 是单线传输方式，从而可以降低布线和线束 (wiring harness) 要求，进而有助于减少重量和节省空间与成本。此标准规定单主节点具有 16 个独立从节点。通信由主节点按计划触发，因此无需在同时报告设备之间执行判优操作。从节点具有自同步特性，可采用片上 RC 振荡器而不采用晶体或陶瓷谐振器，从而大幅降低成本。LIN 协议可以保证信号传输的时延，实现系统的可预测性——这是大部分传感器/传动装置信号的关键要素。协议极其简单，可通过异步串口 (UART/SCI)运行。因此，芯片实施成本很低，使 LIN 成为混合信号工艺技术的绝佳总线解决方案——而这种工艺技术主要用于生产汽车传感器及传动装置采用的信号调节与输出 IC。 [b]实现混合信号工艺 [/b]　　LIN 标准是汽车传感器/传动装置通信的重要进步，不过，在与混合信号半导体工艺的最新发展融合之后，它的重要性更彰显突出。现在，由于能充分利用自己在高速 CMOS 数字工艺及先进的模拟工艺两方面的专业技术，IC制造商得以实现几年前还是天方夜潭的系统集成水平。适用于汽车传感器/传动应用的典型高级混合信号工艺包括：线性 Bi-CMOS (LBC)、高压 CMOS、以及绝缘硅 (SoI)工艺。上述许多工艺都可以实现整个传感器/传动装置电子的单片片上系统 (SoC) 实施，其中包括电源、高压、数字逻辑、存储及高精度模拟功能。 　　如果芯片上需要智能性，先进的混合信号工艺允许在 LIN 协议控制器之外集成合理水平的数字逻辑。例如，设计可能包含能够报告传感器或传动装置状态的逻辑器件，以便使诊断功能既能用于及时维护又能用于终生可靠性数据库开发。下一代混合信号工艺技术将允许微控制器肽Ｄ夤δ芤黄鸺伞４死嗥舷低臣啥孕矶嘤τ镁哂屑叩募壑担纾?#8220;点触式”车窗玻璃升降器——其需要运行一种防止玻璃上升时挤伤手指的算法。而对于需要更复杂、更快通信的应用，实现 LIN 通信集成的半导体功能还允许在混合信号器件中集成 CAN 功能。 [b]传感器/传动装置举例 [/b]　　德州仪器(TI)的 TPIC1021 LIN-2.0 收发器是利用高级混合信号集成技术提高 LIN 兼容传感器及传动装置通信的鲁棒性并且保持其低成本的基石。这款收发器基于 TI 的LBC4 线性 Bi-CMOS 工艺，采用汽车电池电压工作，因此无需外部电源。故障保护功能使设备能够承受 LIN 总线上-40V " +40V的电压，同时片上静电放电 (ESD) 保护功能可以承受高达 17kV（国际电工委员会）和 21kV（人体模型）的峰值电压。在此基础上可以集成把传感器或传动装置连接到汽车电网与 LIN 网络所需要的更多元件。典型的片上功能包括：满足系统要求的汽车电压调节器、传感器输出中前端输入的模拟滤波功能、模数转换器 (ADC)、数字滤波与控制、以及 LIN 兼容的协议控制器。图1举例说明了一个基于 LBC4 的、全面集成的传感器接口。此款器件所具有的高集成度与电路保护功能使其正好适合于空间及成本非常有限的恶劣的汽车环境。 　　而 TPIC10271 传动装置接口是一款基于 LBC-4 D 的专门为汽车应用设计的器件。它集成了采用电池电源的 3.3V 电压调节器/监控器、到用户开关的高压接口、用于位置传感器或其他类型传感器的高侧 FET（场效应晶体管）驱动器、用于马达控制继电器的两个低侧 FET 驱动器、反馈运算放大器、保护电路以及与 LIN 兼容的 PHY（图 2）。输出直接连接至用于控制算法的微控制器，如：玻璃升降器的防挤伤监控功能。与 TPIC1021 以及 TI 混合信号系列产品中的其他器件一样，TPIC10271 在不工作期间进入省电的休眠模式，而且具有低电磁干扰 (EME) 与高抗电磁干扰能力 (EMI)。 　　对于其他应用，同样的混合信号工艺技术除了可以集成上述两款器件中的功能块以外还可集成其它功能，包括：用于单轨及多轨的低压降与开关电压稳压器、不同配置的高/低侧驱动器、各种运算放大器、数字逻辑器件、以及 LIN 接口等通信接口。可用的传动接口包括：H桥、适用于DC刷/三相直流有刷马达的智能驱动器、以及继电器驱动器。这些驱动器用于电动座椅及后视镜、门锁、风档雨刷及除霜器、玻璃与天线升降器、暖通空调系统 (HVAC)、以及用于提供用户舒适及安全性的各种其它电子系统。 [b]系统优势 [/b]　　将传感器/传动装置信号及通信接口改变为与 LIN 兼容的混合信号 IC 可以产生多种系统级优势。首先是提高系统鲁棒性与诊断功能。线路数量减少可降低成本以及潜在的故障源，且由于 LIN 可以实现双向通信，主设备可从子设备处获取诊断信息，而从设备可在发生系统问题时提供故障信息。此外，LIN 消除了对专有接口的需要，通过采用基于公开、可靠标准的通用通信方案既可开发组件及软件。 　　利用 LIN 可构建只需三条线（电池、接地及 LIN）的传感器或传动装置，从而降低布线与线束要求。器件壳体更小，实现更好的传感器/传动装置布置，而无需过多考虑布线问题。LIN 及先进的混合信号工艺可以在许多方面降低系统成本：组件数量减少；库存降低；更紧凑、更简单的印刷电路板与传感器/传动装置壳体；使用片上振荡器取代晶振或谐振器系统作为时钟源；更高的可靠性。上述部分因素还可减少重量与空间消耗——汽车设计中始终不变的追求。 　　这种进步仅仅是汽车传感器及传动装置智能与功能发展迈出的第一步。下一代混合信号汽车 IC 将集成更小的微控制器，能实现可编程功能以及更高的灵活性，从而满足汽车的未来需求。随着汽车传感器与传动装置的智能化不断提高，汽车设计师可以自由地设想汽车系统的智能应用。