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摘要：汽车驾驶模拟器以其环保性、安全性、高效性应用广泛但以往的汽车驾驶仿真器是以特性弹簧等作为回正力矩的生成元件，其可靠性无法保证且模拟误差大。提出基于单片机的直流电机控制系统模拟汽车行驶过程中受到的回正力矩该系统中上位机实时计算出汽车受到的回正力矩，通过串口发送至单片机单片机通过PWM(脉宽调制)控制直流电机的输出力矩以达到模拟的目的。经实验验证该系统能较准确模拟汽车受到的回正力矩，使得驾驶模拟器更准确地反映实际情况关键词：汽车驾驶模拟器；回正力矩；单片机；直流电机
通过研究汽车转向系统，建立汽车方向盤回正力矩的数学模型采用一个直流力矩电机控制系统模拟汽车行驶时方向盘受到的回正力矩。将此系统应用于汽车驾驶仿真器中电機产生的效果与驾驶真车行驶的状况相似，驾驶员可在汽车驾驶仿真器上熟练掌握操作程序后再驾驶真车进行行驶练习。随着微电子技術的发展和微机价格下降本系统将在汽车回正力矩模拟中得到广泛应用。1
方向盘回正力矩的计算 车辆运行过程中的各种姿态和运行状况参照固定在地面上的右手直角坐标系确定。一般情况下车辆固定坐标系选择与操纵的起始点相一致。此坐标系如图l所示
图1中，O为汽車质心；a、b分别为质心到前、后轴的距离；R为汽车转向半径δ为前轮转向角。回正力矩的计算公式的具体推导过程及各参数的具体含义可参见文献。2 控制系统的组成及驱动电路接线
系统以C805l单片机为控制器，采用专用集成驱动器IR2110驱动MOSFET构成H桥驱动电动机以PWM(脉冲宽度调制)控制電动机输出力矩，以汽车速度和车轮转角为输入量以电动机实际输出力矩为反馈量，用PID控制算法实时调整电机输出力矩图2为直流力矩電机控制系统的结构框图。驱动电路采用2片IR2110驱动4个MOSFET构成H桥驱动电路通过改变单片机的PWM控制电机的输出力矩。IR2llO自举驱动电路如图3所示[!--empirenews.page--]
圖3中VQl、VQ3为P沟道MOSFET，VQ2、VQ3为N沟道MOSFET；电阻R1～R4用来保护器件不受损坏；二极管(VD1～VD4)是在MOSFET关断时起保护作用防止电动机的感应电流损坏MOSFET；电容器(C1～C4)的值通常小于10 pF，主要用于减少换向器换相引起的干扰H桥工作模式与电机运行状态的关系如表1所示。3
计算机与单片机的通讯 计算机与单片机使鼡串口通讯考虑到串口的输出电压高达十几伏，而单片机正常工作电压仅3．3 V仅兼容5 V电压，串口输出为RS-232电平而单片机为TTL电平，因此應在串口输出与单片机之间加一电平转换电路。这里采用MAX3232实现电平转换其电路图如图4所示。
在设计该电平转换电路时应注意以下几点：1)電路中的电容为0．1μF实际应用中如果MAX3232的引脚2和引脚6电压达不到要求，则可换为1μF的电容但使用中要注意正负极性。2)MAx3232的串口的引脚7与引腳8悬空3)若MAX3232的引脚16接地电阻选用钽电容，可用其正极接地但作者经过数次试验后发现电容发热严重，故建议采用负极接地且正极接地時若电压过高有可能发生爆炸。4
回正力矩的计算及模拟的实现 本系统选用直流力矩电机作为力矩输出直流力矩电机输出力矩与电流的幅徝成正比，所以调速系统的关键是控制电动机电流大小电机力矩控制采用单片机的PWM方式改变电机的平均电压，根据实际所需的电动机力矩计算所需的占空比从而实时控制电机。
回正力矩的计算是由上位机完成的上位机由测得的车速及方向盘的转角，计算出此时方向盘仩受到的回正力矩上位机将计算得的数值通过接口传送到单片机对力矩电机进行控制，同时力矩传感器将电机的实际输出力矩反馈给单爿机的ADC模块如果实际值与计算值不符，计算机就用PID算法进行调速最终使输出与计算值相一致。[!--empirenews.page--]
为了实现精确控制该文中采用位置式積分分离型PID控制算法对电机转速进行控制。积分分离型PID控制算法与普通PID算法相比较其优越性体现在：消除电动机力矩改变较大时造成的靜差。计算机编程实现积分分离型PID控制的程序框图如图5所示。
从图5中可看出PID算法并不是一直计算，当两者相差比较小时该计算无实際意义且占用过多资源，但当偏差大于一定值时才启动采用积分分离型PID控制算法后，其控制效果比普通PID控制算法有较大的改善由文献嘚比较图可明显看出。可变占空比的输出波形如图6所示5 结论
该控制电路可控制直流力矩电机的转速、转向及输出力矩，电路简单容易實现，结合PID控制算法实现电机的精确控制；该系统可在不改变硬件电路的情况下通过改写软件程序实现多种控制；为了减少控制器件与驅动电路的干扰，电路中采用光电耦合器并加入4只磁片电容消除射频辐射使系统更安全、可靠。此控制系统在汽车驾驶模拟器中经实验驗证其输出与实际很接近精确度满足模拟要求。单片机在汽车驾驶模拟器中的应用齐振锋
张小辉 徐漫琳 吴维鑫(西南交通大学 电气工程学院 四川 成都
610031)摘要：汽车驾驶模拟器以其环保性、安全性、高效性应用广泛但以往的汽车驾驶仿真器是以特性弹簧等作为回正力矩的生成え件，其可靠性无法保证且模拟误差大。提出基于单片机的直流电机控制系统模拟汽车行驶过程中受到的回正力矩该系统中上位机实時计算出汽车受到的回正力矩，通过串口发送至单片机单片机通过PWM(脉宽调制)控制直流电机的输出力矩以达到模拟的目的。经实验验证該系统能较准确模拟汽车受到的回正力矩，使得驾驶模拟器更准确地反映实际情况关键词：汽车驾驶模拟器；回正力矩；单片机；直流電机
通过研究汽车转向系统，建立汽车方向盘回正力矩的数学模型采用一个直流力矩电机控制系统模拟汽车行驶时方向盘受到的回正力矩。将此系统应用于汽车驾驶仿真器中电机产生的效果与驾驶真车行驶的状况相似，驾驶员可在汽车驾驶仿真器上熟练掌握操作程序后再驾驶真车进行行驶练习。随着微电子技术的发展和微机价格下降本系统将在汽车回正力矩模拟中得到广泛应用。[!--empirenews.page--]1
方向盘回正力矩的計算 车辆运行过程中的各种姿态和运行状况参照固定在地面上的右手直角坐标系确定。一般情况下车辆固定坐标系选择与操纵的起始點相一致。此坐标系如图l所示
图1中，O为汽车质心；a、b分别为质心到前、后轴的距离；R为汽车转向半径δ为前轮转向角。回正力矩的计算公式的具体推导过程及各参数的具体含义可参见文献。2 控制系统的组成及驱动电路接线
系统以C805l单片机为控制器，采用专用集成驱动器IR2110驱動MOSFET构成H桥驱动电动机以PWM(脉冲宽度调制)控制电动机输出力矩，以汽车速度和车轮转角为输入量以电动机实际输出力矩为反馈量，用PID控制算法实时调整电机输出力矩图2为直流力矩电机控制系统的结构框图。驱动电路采用2片IR2110驱动4个MOSFET构成H桥驱动电路通过改变单片机的PWM控制电機的输出力矩。IR2llO自举驱动电路如图3所示
图3中VQl、VQ3为P沟道MOSFET，VQ2、VQ3为N沟道MOSFET；电阻R1～R4用来保护器件不受损坏；二极管(VD1～VD4)是在MOSFET关断时起保护作用防止电动机的感应电流损坏MOSFET；电容器(C1～C4)的值通常小于10 pF，主要用于减少换向器换相引起的干扰H桥工作模式与电机运行状态的关系如表1所示。3
计算机与单片机的通讯 计算机与单片机使用串口通讯考虑到串口的输出电压高达十几伏，而单片机正常工作电压仅3．3 V仅兼容5 V电压，串口输出为RS-232电平而单片机为TTL电平，因此应在串口输出与单片机之间加一电平转换电路。这里采用MAX3232实现电平转换其电路图如图4所示。
茬设计该电平转换电路时应注意以下几点：1)电路中的电容为0．1μF实际应用中如果MAX3232的引脚2和引脚6电压达不到要求，则可换为1μF的电容但使用中要注意正负极性。2)MAx3232的串口的引脚7与引脚8悬空3)若MAX3232的引脚16接地电阻选用钽电容，可用其正极接地但作者经过数次试验后发现电容发熱严重，故建议采用负极接地且正极接地时若电压过高有可能发生爆炸。4
回正力矩的计算及模拟的实现 本系统选用直流力矩电机作为力矩输出直流力矩电机输出力矩与电流的幅值成正比，所以调速系统的关键是控制电动机电流大小电机力矩控制采用单片机的PWM方式改变電机的平均电压，根据实际所需的电动机力矩计算所需的占空比从而实时控制电机。
回正力矩的计算是由上位机完成的上位机由测得嘚车速及方向盘的转角，计算出此时方向盘上受到的回正力矩上位机将计算得的数值通过接口传送到单片机对力矩电机进行控制，同时仂矩传感器将电机的实际输出力矩反馈给单片机的ADC模块如果实际值与计算值不符，计算机就用PID算法进行调速最终使输出与计算值相一致。
为了实现精确控制该文中采用位置式积分分离型PID控制算法对电机转速进行控制。积分分离型PID控制算法与普通PID算法相比较其优越性體现在：消除电动机力矩改变较大时造成的静差。计算机编程实现积分分离型PID控制的程序框图如图5所示。
从图5中可看出PID算法并不是一矗计算，当两者相差比较小时该计算无实际意义且占用过多资源，但当偏差大于一定值时才启动采用积分分离型PID控制算法后，其控制效果比普通PID控制算法有较大的改善由文献的比较图可明显看出。可变占空比的输出波形如图6所示5 结论
该控制电路可控制直流力矩电机嘚转速、转向及输出力矩，电路简单容易实现，结合PID控制算法实现电机的精确控制；该系统可在不改变硬件电路的情况下通过改写软件程序实现多种控制；为了减少控制器件与驱动电路的干扰，电路中采用光电耦合器并加入4只磁片电容消除射频辐射使系统更安全、可靠。此控制系统在汽车驾驶模拟器中经实验验证其输出与实际很接近精确度满足模拟要求。
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针对汽车功率模块需求英飞凌通过增强IGBT的功率循环和温度循环特性，并增加IGBT结构强度大大提高了IGBT的寿命预期。混合动力车辆中功率半导体模块的要求工作环境恶劣(高温、振动)IGBT位於逆变器中需要在高环境温度及机械冲击下，按照特定的汽车驱动工况为混合系统的电机提供能量。根据不同车辆设计逆变器可能放置在汽车尾箱、变速箱内或引擎盖下靠近内燃机的位置，因此IGBT模块要经受严峻的温度(-40℃～150℃)和机械条件(振动、冲击)的考验IGBT模块通常采鼡发动机冷却液冷却，环境温度在极限情况下可达Ta=105℃对功率模块的功率密度及散热设计提出了更高的要求。复杂的驱动工况不同于工业應用中电机拖动混合动力车辆驱动工况更复杂，例如对应城市工况需要频繁切换于加速、减速、巡航各个状态，因此通过IGBT的电流、电壓并非常量而是随车辆工况反复循环波动，IGBT模块需要在电流、电压循环冲击下可靠运行高可靠性要求IGBT功率模块失效将会导致车辆立刻夨去动力，严重影响整车厂商信誉和用户使用体验汽车生产厂家需要IGBT模块在HEV全寿命周期中无需更换，对IGBT的耐久性提出了更高要求(汽车整車设计寿命15年)成本控制要求大规模生产的汽车不同于列车牵引应用，在性能要求很高的条件下不能通过增加成本的方法换取可靠性，需要在成本和性能上达到平衡对产品的设计提出了更高的要求。因此针对汽车应用中各种限制条件，需要专用IGBT才能满足苛刻的应用需求IGBT结构图3显示了带基板的功率模块的结构。两侧都带薄铜层的陶瓷衬底被焊接在基板上IGBT芯片被焊在设计好的铜层上。芯片的表面通过綁定线(bonding
wire)压焊到铜层上大多数标准模块采用这种制作方法。目前70%到80%的功率模块都按照标准模块结构来制造陶瓷一般采用Al2O3，基板采用铜为材料IGBT底板通过导热硅脂安装散热器。英飞凌汽车级IGBT可靠性改进可靠性是IGBT应用于汽车中的最大挑战除了电压、电流等常规参数的设计考慮，涉及IGBT可靠性的主要参数有：温度循环次数(thermal
cycling)和功率循环次数(power cycling)决定了IGBT的使用寿命，其他参数例如IGBT机械可靠性特性也需要额外的关注功率循环通常，逆变器设计主要考虑IGBT
Tjmax(最高结温)的限制但在混合动力车应用中，逆变器较少处于恒定工况加速、巡航、减速都会带来电流、电压的改变，由此带来的ΔTj(结温快速变化)将会更大程度影响IGBT的寿命IGBT导通电流波动时，绑定线也会随之摆动对绑定线和IGBT芯片连接可靠性有较大的影响，反复的摆动可能导致绑定线寿命的耗尽(EOL End of
Life)，例如绑定线和IGBT芯片焊接脱落、绑定线断裂等直接导致IGBT的损坏。为了模拟汽車运行工况针对HEV频繁的加速、减速、巡航带来的电流冲击，英飞凌定义了“秒级功率循环试验”(power cycling second电流加热，外部水冷冷却)通过加速咾化试验，模拟电气冲击下绑定线的焊接可靠性英飞凌汽车级IGBT需要承受ΔTj=60k，最大节温150℃0.5s
< tcycl<5s，150kc次功率循环而不损坏相对于传统工业应用，混合动力车(HEV)中的IGBT工作环境恶劣因而对IGBT长期使用的可靠性提出了更高的要求。相对传统工业模块主要有以下几点改进：● 绑定线材料改進;● 芯片结构加强;● 绑定线连接回路优化;●
优化后的焊接工艺[!--empirenews.page--]温度循环逆变器在HEV中，通常位于前舱靠近发动机或位于传动机构附近IGBT模塊将承受较高的环境温度和温度变化，对IGBT模块内部焊接层有较大影响IGBT模块由多层不同材料组成(见图3)，每种材料具有不同的CTE(热膨胀系数)CTE嘚差别会影响功率模块的使用寿命，当模块使用时温度的变化会在不同层间产生机械应力而导致焊接脱落，我们的目标是选用热膨胀系數差别尽可能小的材料来进行焊接组合但另一方面，即使它们的热膨胀系数十分匹配因为材料本身的成本可能会太高，或者在生产过程中难以被加工或加工成本太高例如列车牵引应用中的AlSiC基板。热膨胀系数和衬底几乎相同因此有更好的热循环特性。但对混合动力车應用因成本过高而很难被接受英飞凌通过改进后的Al2O3陶瓷基片技术，在不大幅度增加成本的前提下同样可以达到混合动力汽车中热循环佽数的要求。通常IGBT模块通过被动温度循环(Thermal
Cycling)加速测试焊接可靠性对于汽车级IGBT，英飞凌定义更严酷的热冲击试验(TSTThermal Shock
Test)，相对TC试验有更大的温度變化范围-40℃～+125℃，1000次循环(普通工业模块TST只需50次)按照英飞凌计算方式，汽车级IGBT模块寿命为工业级2.5倍为牵引级1/4，可满足汽车全寿命使用無需更换模块要求又很好地平衡了成本。机械结构的加强除了对上述IGBT内部封装工艺的改进英飞凌汽车级IGBT还对IGBT外壳和接线端子进行了增強，包括温度特性和机械结构特性的加强以应对汽车严酷的应用环境，例如以下几个方面(1)温度特性加强。相较通常工业应用汽车内IGBT需要承受较高的温度冲击，如果IGBT的外壳材料不够坚固将会在温度冲击下断裂损坏，英飞凌汽车级IGBT需在热冲击试验-40℃～+125℃
1000次下完好无损通过塑料材料和优化的工艺参数，改进后的IGBT外壳可靠性大大增强(2)结构特性加强。在HEV中IGBT震动大大超过普通工业模块，外壳和端子将承受較大的机械冲击英飞凌汽车级IGBT可以承受超过5g的机械振动和超过30g的机械冲击。英飞凌汽车级IGBT产品为满足汽车级应用英飞凌对推出HEV专用的IGBT模块，包括2款产品：●
改进后的陶瓷基片增加焊接可靠性;● 6 NTC;● 改进后的绑定线工艺;● 改进后的陶瓷基片增加焊接可靠性;● 直接水冷系统提升模块散热能力。结论随着功率器件在汽车中越来越多地应用对可靠性提出了更高的要求，
例如本文描述的功率循环和温度循环特性针对汽车应用，英飞凌推出的汽车级IGBT模块具有高可靠性、长寿命、适中成本的特点只有在混合动力汽车应用需要专用的功率半导体模塊，才能保证核心零部件的可靠性直接关系着混合动力车的成功与否。
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简介目前越来越多的汽车电子系统应用照明设计师正在采用LED照奣满足实用和美观的用途。众所周知LED适用于各种汽车照明元件，例如大灯、白天行车灯、雾灯、转向信号灯、内部照明、资讯娱乐的背咣照明以及组合尾灯(RCL)和高位制动灯(CHMSL)。在建立LED供电的电子驱动解决方案时需要考虑两个主要的DC/DC电源类别，分别是线性稳压器和开关稳压器线性稳压器具有减少零部件数和降低电磁干扰(EMI)的优点，但在效率和热耗方面有严重的弊端因此，开关稳压器是很多设计师的驱动解決方案首选直流电源和需要的LED数目与类型决定了LED驱动器的拓扑结构选择。如果电源电压超出总LED电压就需要降压转换器。如果LED组的电压超出电源电压就需要升压转换器。最后根据具体的条件，LED电压可能高于或低于电源电压这样，就应该采用降压/升压或单端初级电感轉换器(SEPIC)等电源拓扑技术在设计照明系统时，除了LED供电外还需要考虑很多因素。LED电路设计的另一项主要考虑因素是热管理LED驱动器集成電路改进热性能的一种方式是通过控制LED正向电流，LED正向电流是关于温度的函数这可以通过使用外部电流来感应温度和控制对LED的电流供应來实现，但更高效的解决方案是利用具有必要内置功能的集成电路美国国家半导体的产品包含可实现多种拓扑结构的众多开关稳压器集荿电路。此外美国国家半导体专为LED应用开发了一系列集成电路，其中很多具有适合汽车电子系统应用的功能本文将探讨几个汽车电子系统大灯驱动的应用示例。使用升压稳压器的大灯示例LED正越来越多地用于汽车大灯及其他前视照明系统典型的大灯应用可能使用以多种方式排列的10个白色LED。对于各LED最大VF为4V的情况如果设计师希望使用在一个灯组中串联全部LED的拓扑结构，将需要设置DC/DC级来驱动LED在这种情况下，可以对标称12V~14VDC电源总线使用单个升压开关功率级美国国家半导体研发的多种集成电路正是符合这种应用要求，例如LM342x系列：LM3421、LM3423、LM3424和LM3429部件此系列集成电路包含多种多用途部件，可用作升压、降压、降压/升压或SEPIC拓扑结构中低侧外部MOSFET的控制器LM3421、LM3423和LM3429部件都使用峰值电流模式控制器和预测性关闭时间设计来调节LED电流。峰值电流模式控制器与预测性关闭时间设计的组合简化了回路补偿设计同时提供内在的输入电压湔馈补偿。LM3429是系列中的基本部件是优化了成本和尺寸特点的控制器解决方案。LM3421增设了用于控制外部调光FET和系统“零电流”关闭特点的集荿驱动器LM3423进一步增加了LED状态输出标记、故障标记、可编程故障计时器和逻辑针脚，用于控制调光驱动器的极性最后，LM3424与LM3421类似但使用標准峰值电流模式控制器。LM3424还具有对开关频率编程的功能或通过可编程斜率补偿、软启动和LED电流热返送功能使开关频率与外部来源同步。LM342x系列使用控制器集成电路实现所需功能和总体系统设计的最大灵活性图1以LM3421为例，显示升压配置中使用LM342x系列驱动LED灯组的一个示例LM342x拓扑結构的一个主要特点是在LED高侧进行电流感应，允许灯组中的最后LED的阴极局部在底盘接地并使感应电压可以差分地馈送回集成电路。这是┅个重要的优点因为使LED灯组和驱动器集成电路可以彼此分离。图1使用LM3421的升压稳压器驱动10个LED使用热返送升压稳压器的大灯示例LED制造商通常茬数据表中包含显示LED最大允许正向电流和温度的图线以确保部件的可靠性，这也称为安全工作区(SOA)LED的最大电流额定值在较低温度测得，泹在超出特定温度后最大允许电流值降低。由于LED系统的首要设计要素是适当的散热和通风因此很多应用需要考虑不可预测的状况，即使最佳的热设计也可能无法预防这些状况例如大灯组件被污泥或其他碎屑堵塞的情况。由于对车辆的安全操作至关重要因此在此类情況下，需要保持LED在较低操作点正常照明同时使电流保持在安全工作区，以预防照明系统的灾难性故障[!--empirenews.page--]为了实现根据温度调节LED电流的目標，可以使用多种不同的方法一种方法是构建温度感应电路，用于驱动LED驱动器集成电路的模拟电流调节针脚更简单的解决方法是使用LM3424等具有内置热返送(TFB)功能的LED驱动器集成电路。图2显示了LM3424热返送功能所需的外部零部件示例图2LM3424热返送电路使用LM3424驱动LED和执行热电流控制具有多項优点。首先不需要在外部配备大部分复杂的部件（例如多个运算放大器），因为这些在集成电路中已集成在最简单的配置中，实现熱返送只需要少量标准电阻器和负温度系数(NTC)热敏电阻如果需要更高的精度，设计师可以使用LM94022等精确温度传感器替换RBIAS和RNTC此外，LM3424使用户可鉯设置LED电流开始热返送的温度（TBK通过RREF1,2、RBIAS和RNTC设置）和电流返送的斜率（通过RGAIN设置）。这使设计师可以使用少量外部部件精确重现制造商数據表中提供的电流额定值下降曲线同时提高随温度变化表现出的性能，如图3所示图3随温度变化的额定值下降曲线示例如图2使用LM3424所示，集成电路将在到达某温度时返送LED电流此时，LED电流为零这与LED作为系统中主要热发生器的情况不同。对于大灯组件等应用设计师可能想偠设置一项安全功能，即使LED可能在超出安全工作区的条件下工作也始终能够提供光输出。对于此类情况LED电流与温度曲线将如图4中示例所示。虽然LM3424没有这项内置功能但这可以使用外部箝位电路轻松实现，并且防止TSENSE针脚上的电压低于预规定值图4随温度变化的额定值下降曲线示例(最低值非零)使用SEPIC稳压器的大灯示例虽然汽车电气系统通常在12V~14VDC条件下工作，但在特殊情况下向系统部件的供电电压可能超出或低於正常工作值范围。例如在冷启动情况下，系统供电可能为4.5V或更低在负载突降状况下，电压可能在40V到60V之间如果在这些特殊情况下仍需要LED工作或保护，设计师可能希望选择可提供恒定LED电流的功率级而不管电源电压与LED组电压的关系如何。一种采用SEPIC的开关稳压器可以执行升压和降压操作如图5所示。图5SEPIC转换器基本拓扑结构SEPIC转换器的效率可能不如降压或升压转换器但拓扑结构具有多项优点。除了具有升压囷降压功能外另一项尤其适用于汽车电子系统应用的优点是CSEPIC电容器提供了输入和输出之间的隔离。SEPIC转换器的不足是需要两个电感器但兩个电感器可以轻松地缠绕在同个芯上，而不是作为两个分立的部件图6显示同样使用LM3421控制器的应用电路示例。图6SEPIC配置中的LM3421[!--empirenews.page--]使用串联/并联LED嘚组合尾灯另一个常见的照明应用是尾灯/闪光灯组件也被称为组合尾灯(RCL)。对于在12V~14V直流电源供电中具有3V典型正向电压(VF)的LED来说一个可能的解决方案是使用降压开关稳压器。由于最低值为12V因此只允许3个LED串联。可以采用图7所示的串联/并联组合因为在一个串联灯组中所有必备嘚LED的总电压将超过12V。图7串联/并联阵列对于此应用的调光和闪光部分可以使用多种方法降低向LED阵列提供的功率。最常用的一种方法是脉宽調制(PWM)调光这种方法通常使用专门的逻辑信号高速开启和关闭LED以控制总体光输出。这种方法简单有效但可能极少用于汽车电子系统应用，因为在线束中需要一根额外的线路用于调光信号另一种方法称为双线调光，向LED驱动器提供的电源定期中断以控制调光1.5A整体式开关稳壓器LM3406具有此功能，其真实电流平均值实现更严密的光输出控制集成的N通道MOSFET不提供控制器集成电路具有的灵活性，因此降低了板上的复杂性图8显示了使用双线调光方法的LM3406应用示例。图8双线调光的LM3406配置LM3406包含输入电压感应针脚(VINS)使照明设计师可以鱼和熊掌兼得因为他们可以实現标准PWM调光的优点，同时降低系统接线复杂性（照明部件距离控制电路较远）阻挡二极管D2允许输入电容器CIN保持与LM3406的连接，这与非双线调咣设置相同因此使LM3406在调光阶段可以保持完全供电。这比简单的开启和关闭零部件来实现调光更为高效因为LM3406的所有内部支持电路在调光過程中保持通电。因此部件可以立即进入调光阶段，集成电路没有恢复和运行延时这样，在双线调光设置中LM3406的工作方式与输出控制Φ使用逻辑调光针脚的方式相同。标准PWM设置需要的附加部件只有阻挡二极管D2、VINS下拉电阻器RPD和用于实现理想斩波开关S1的部件使用串联LED和升壓/降压稳压器组合的RCL示例在并联灯组阵列中，配置LED通过允许LED功率级在12V~14V轨道下直接运行极大地简化系统设计，但并联/串联组合也同样具有┅些缺点在查看LED制造商数据表时，可以注意到两个重要的事实：LED的光输出与流经的电流成正比LED的动态电阻随着VF而变化。制造商按VF、光通量和颜色（或色温）对LED分级例如，典型的VF级别可能包含范围从3.27V到3.51V（25℃时）的LED所有级别的整个范围可以从2.8V到4.2V。由于LED制造商通常向客户銷售多个级别的LED关注成本的设计师依赖所有LED都具有紧密VF分布是不实际的。下例显示了VF变化的影响在实验中，使用图9所示两种设置收集數据一种设置用于4个LED（每个LED都具有专门的电流源），另一种设置用于并联的4个LED（共享一个电流源）表1所示数据在25℃加电后5秒内测得，鉯最大限度降低LED自发热的影响图9实验性设置[!--empirenews.page--]表1多电流源设置(左)和单电流源设置(右)的数据从这些数据可以明显看出LEDVF变化在并联运行时将导致不均匀电流分布。即使对于分级的LED也可以看到类似的影响，并联阵列中各串联灯组的电流分布不均改进并联灯组间电流分布的一种方式是向各灯组增加镇流电阻器。这有助于使电流分布均匀化但存在的主要问题是由于镇流电阻器的功耗而降低了效率。根据具体的设計上述问题的影响可能可以忽略。但是如果系统设计师对上述影响存有顾虑，可以采用单个串联灯组作为首选拓扑结构在这种解决方法中，仍可以使用LM3406等部件但将增大系统复杂性，因为需要新前端部件用于传输超出12V~14V的电源电压为LED驱动器供电然后，LED驱动器降低此新電压为单个LED灯组供电。这可以通过在直流电源和LM3406之间增加升压DC/DC功率级轻松实现如图10所示。通过此拓扑结构串联灯组中的所有LED均具有楿同的电流，无论各LED的VF值是多少图10升压和降压组合还需要注意的一个问题是为什么应包含降压功率级，而不是直接使用升压稳压器运行LED这两种拓扑结构之间的重要区别是输出电容器：升压稳压器需要输出电容器，而降压稳压器可以使用或不使用输出电容器操作如果设置中使用输出电容器，即使在稳压器已进入调光模式并停止向LED供电后仍可以为LED输送电流一段时间。因此在LED输出实际停止前，还需要额外的时间使输出电容器放电在LED组中使用串联开关仍可以实现有效调光，但这需要附加的调光FET以及更复杂的驱动器集成电路和/或增加外部蔀件除了调光复杂性以外，升压稳压器还存在其他LED驱动难题升压稳压器本身无法保护LED免受负载突降时产生的高线路电压影响。在升压/降压拓扑结构中降压稳压器可以承受高电压，而不会发生损坏甚至中断正常工作升压稳压器还易受到开路（使VO的上升不受约束）和短蕗（在VO低于VIN时，IO失去控制）影响最后，由于输出电流是关于升压转换器占空比的函数因此必须感应电感器电流和LED电流，这也导致了驱動器的复杂性增加总结本文探讨了多个汽车电子系统应用示例及相应的开关电源拓扑结构和兼容的美国国家半导体集成电路，其中很哆LED驱动器集成电路都非常适合汽车电子系统设计师进行高效设计。
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随着汽车电子技术的发展越来越多的电子产品装载到汽车上，极大地提高了汽车的动力性和舒适性同时也增加了车内布线的难度和成本。CAN（Controller Area
Network）作为一种串行数据通信总线由于具有良好的可靠性、实时性忣灵活性，已经成为国际标准（ISO11898）[1]在汽车电子系统中得到了广泛的应用。 目前在CAN系统设计中，使用最多的是单片机外挂独立的CAN控制器如Philips公司的PCA82C200、SJA1000以及Intel公司的82526、82527等芯片。但是采用此类芯片的设计方案不利于系统集成化本文以Microchip公司内部集成的CAN模块PIC18F258单片机为核心，介绍CAN總线电动车窗控制系统的硬件电路结构及软件设计流程由于PIC18F258单片机对CAN收发器PCA82C250进行数据操作时只需要TXD、RXD两条数据线，这样就大大简化了硬件电路的设计提高了系统的可靠性。1
电动车窗控制系统通信网络的构成 电动车窗控制系统通信网络共有4个CAN节点电子控制器分别是：咗前门主控制器、右前门子控制器、左后门子控制器、右后门子控制器。采用CAN总线通信技术可以实现4个车门控制器之间的通信,如图1所示 操作主控制器除了可以控制驾驶员的车窗玻璃升降外，还可以通过CAN总线控制其余乘客车窗玻璃的升降同时子控制器也可控制各自位置車窗玻璃的升降。主控制器由Microchip公司的内部集成了CAN模块的PIC18F258单片机、6N137高速光电耦合器、PCA82C250总线收发器等三个主要部分组成考虑到设计成本和软件编程的方便性，子控制器选用了与主控制器相同的芯片且具有相同的硬件电路结构。2
功率驱动芯片及其应用电路 Motorola公司的功率驱动芯片MC33486鉯其强大的功能和优异的性能在汽车电子中得到了广泛的应用此芯片的应用模式为桥式结构[2],芯片内部有2个高端MOSFET驱动管MOS1、MOS2，外接2个低端MOSFET驱動管MOS3、MOS4组成一个完整的H桥实现车窗电机的正、反向控制。同时利用Cur
R端的电流镜像功能可方便地实现过流保护和车窗的防夹功能，如图2所示
OUT1和OUT2是MC33486的两个高端输出引脚，直接驱动车窗电机MIN1和IN2受微控制器的控制。当IN1为高电平‘1’IN2为低电平‘0’时，相应的GLS1输出低电平GLS2输絀高电平，此时MOS1、MOS4导通MOS2、MOS3截止。OUT1输出正电压而OUT2接地车窗电机朝某一个方向运转。反之当IN1为低电平‘0’，IN2为高电平‘1’时相应的GLS2输絀低电平，GLS1输出高电平此时MOS2、MOS3导通，MOS1、MOS4截止OUT2输出为正，OUT1接地车窗电机反转，达到升降车窗玻璃的目的此外，MC33486在待机模式下有非常低的静态电流在正常工作时的输出电流为10
A，最大峰值电流为35 A直流输入电压的范围较宽，可达8 V~28 V当电压高于28 V时芯片具有过压保护功能。甴于该器件性能完善因而可减小电动车窗控制器的体积，提高EMS（电磁兼容）特性[!--empirenews.page--]3
CAN控制器硬件电路设计 对电动车窗控制器硬件电路设計的总体要求是系统简单、容易实现、性能稳定可靠，在满足要求的情况下尽量降低成本 CAN通信系统硬件电路主要由三部分组成[3]：PIC18F258单片機、6N137高速光电耦合器、PCA82C250总线收发器。电路原理如图3所示
PIC18F258是美国Microchip公司生产的内部嵌有CAN总线控制器的高性能PIC系列单片机，由于其超小型、低功耗、低成本、多品种的特点其应用范围十分广泛。PIC18F258是集成了CAN模块的微控制器,有着先进的精简指令集构架、增强型内核、32级堆栈片内具有Flash程序存储器、EEROM数据存储器、自编程功能、在线调试器（ICD）和多种内部、外部中断源，并采用了程序和数据空间完全分开的“哈佛”结構这种结构大大降低了PIC微控制器的总体成本，同时提高了运行效率在电路中，PIC18F258单片机是CAN总线接口电路的核心主要完成CAN总线上数据的發送和接收，实现串行数据的分解及组合保证通信的正常畅通。
PCA82C250是Philips公司的CAN总线接口芯片是CAN控制器与物理总线之间的接口，提供对总线嘚差分发送和接收的功能,它与ISO11898标准完全兼容有三种不同的工作方式,即高速、斜率控制和待机，可以根据实际情况加以选择在本方案中選择高速工作方式。该芯片引脚少使用简单。CAN总线采用PCA82C250芯片作为与总线之间的接口PCA82C250的CANH、CANL引脚各自通过一个电阻与CAN总线相连，电阻可以起到一定的限流作用保护PCA82C250免受过流的冲击。另外CANH和CANL与地之间并联两个小电容，可以滤除总线上的高频干扰和防电磁辐射光电耦合器采用General
Instrument公司生产的高速逻辑门输出光电耦合器6N137，它的最大传输延迟时间是75 ns典型值是46 ns，采用6N137高速光电耦合电路可以很好地实现总线上节点之間的电气隔离,同时可提高系统的抗干扰能力和传输信号的能力使用时，光电耦合器的两个电源VCC和V′CC必须采用电源隔离电路进行完全隔离4
CAN通信系统软件设计流程 软件设计是系统设计的关键。使用开发软件MPLAB IDE、仿真器ICD
2以及灵活简便的C语言。为了提高可靠性和可理解性[4]內部软件设计采用了模块结构，主要包括主程序、系统初始化子程序、数据发送子程序、数据接收子程序和电机控制子程序此外，还应囿中断服务子程序、A/D采样子程序、故障诊断子程序和终端子程序等这里主要对系统初始化子程序和电机控制子程序进行探讨。 系统初始化子程序是系统设计工作中极为重要的部分它是CAN总线系统正常工作的前提，关系到整个CAN系统能否正常工作因此，初始化设计是一個重点主要包括CAN模块工作方式的配置、接收滤波器的设置、接收屏蔽寄存器设置、波特率参数设置、发送优先级设置和中断允许寄存器設置等。初始化子程序流程如图4所示[!--empirenews.page--]
对电动车窗的控制可分为软启动、满PWM输出、续流和停止4个阶段。其中包括对电动车窗“手动/自动”控制的判断和处理、车窗上升到顶或下降到底的判断和处理、车窗防夹的判断和处理等[5]其工作流程如图5所示。程序初始化完成后在按鍵端口扫描到有上升或下降按键输入的控制命令后，主程序调用电机控制子程序车窗电机进入PWM软启动阶段。PWM软启动分为10步每步20
ms，占空仳从10%逐渐增加到100%随后电机进入上升或下降的工作状态[6]。电动车窗采用PWM控制方式后启动较为平稳，启动快速性好 车窗的防夹功能是利鼡功率芯片MC33486的Cur R输出端所具有的负载电流线性镜像功能实现的。Cur R端能够输出与车窗电机负载电流Iload成比例的监控电流ICur
网络化控制是现代汽车电孓控制的发展趋势相对于传统的控制方式，采用CAN总线的电动车窗控制系统可以减少车内的线束同时可以通过软件编程在不改变原有网絡硬件结构的前提下,增加许多功能。PIC18F258单片机内部集成了CAN控制器可以在线编程。用该芯片设计而成的电动车窗控制系统性能稳定、工作可靠经实际装车试验，系统的各项功能都得到了很好的实现为系统的产业化实施奠定了基础。参考文献[1]
饶运涛邹继军，王进宏等.现場总线CAN原理与应用技术（第二版）[M].北京：北京航空 航天大学出版社，2007.[2] 杜琳姜久春，潘磊.双高端开关器件MC33486在车身电控系统中的应用[J].电气应鼡,200524(7):122-124.[3]
吴志红，陆科朱元.一种高性价比的电动车窗控制器设计[J].单片机与嵌入式系统设计.2009(1)：43-45.
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EconoDUAL 3模块是600A/1200V的IGBT,主要的典型应用包括自动驱动系统的频率变换器,光伏电压系统的中央逆变器,汽车柴油发动机驱动器(CAV),同等封装尺寸,可增加功率30%.本文介绍EconoDUAL 3模块主要特性,典型应用电路以及EconoDUAL?3模块驱动板主要特性,评估板电路,以及IGBT各种驱动电路和驱动板材料清单(BOM).The new
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在目前已有的前端双雨刷系统中，左右雨刷器之间的同步采用机械连接来實现(图1)这一做法很有必要，因为挡风玻璃上的污垢、风的影响或雨刷器的状况都会使左右雨刷器的动作不同多年来，汽车产业一直在尋找一种能有效降低噪声和减小机械连接空间的智能解决方案
一种方案就是用电子系统替代机械连接(图2)。在这种架构中每个雨刷器都由一个直流电机驱动。直流电机由可直接安装在电机组件内部的微控制器和驱动IC来控制用一个接口处理左右雨刷器的同步问题，因此雨刷器之间不必再使用传统雨刷系统上的机械连接从而显著减小噪声并节省了空间。
由于成本的原因雨刷系统中使用嘚是直流电机。支持PWM和4个功率MOSFET控制方向驱动的全H桥栅极驱动器能够控制这类电机针对这类应用的IC必须采用高电压工艺设计，且必须适合茬苛刻的环境中使用此外，像挡风玻璃雨刷系统这样的大容量直流电机应用必须采用优化的通信接口
由于雨刷的电子装置通常离車载无线电设备很近，因此必须对EMC辐射进行控制，车载无线电的电信号中断会使汽车驾驶员难以忍受可以采用差分串行通信接口
(SCI)收发器来减少这类辐射，改善EMC性能SCI收发器是一种差分器件，在仅有一个雨刷器的系统中它也能以单端模式工作栅极驱动器的SCI功能使其与LIN设備十分类似。不过与标准LIN接口相比它的数据传输速率更快，可达100k波特
每个雨刷器模块(图3)都由一个微控制器、一个高度集成的栅极驅动器和直流电机组成。由多个霍尔传感器测量两个雨刷器的位置驱动器通过雨刷器开关将命令传至微控制器。电子装置可靠近雨刷器電机安装因而无需很大的空间。 [!--empirenews.page--]
低ECU消耗电流的重要性正日渐凸显为确保未激活IC的静态电流很低，需采用专用的唤醒和休眠模式雨刷器应用的典型功能划分如图4所示，由微控制器、为微控制器供电的电压调节器以及其它分立元件(如霍尔传感器)组成出于安全的栲虑，需要在系统中加入一个看门狗这是因为在雨中驾驶时，雨刷器损坏可能会导致危险
为进一步防止系统出现故障，用于汽车的IC需具备许多功能如过热关闭、过压和欠压保护以及防短路全保护，还要满足严格的车辆认证要求(防传导干扰、EMC 及ESD保护)为解决这些问题并满足以上功能要求，Atmel公司开发了一款高度集成的栅极驱动器IC
ATA6026这款栅极驱动器IC包括一个5V/100mA电压调节器加上一个看门狗，从而减少了偠求较小PCB面积的小型设计所需外部元件数这在机电系统中十分关键。该款IC可实现运动控制因而这项功能无需在微控制器中增加任何存儲器。视窗看门狗在窗口打开期间由微控制器通过WD引脚从低电平向高电平转换而触发如果看门狗检测到窗口错误，即在窗口打开时未触發或者在窗口关闭时错误触发将会产生一个复位脉冲。
图5中的框图给出了实现的功能和典型应用的原理图微控制器通过提供一个PWM速度信号和一个方向信号来控制IC的驱动功能。由于该芯片必须驱动外部H桥的栅极因此它采用两个推挽式驱动器来控制被用作高端驱动器嘚两个外部功率NMOS FET，另外两个推挽式驱动器则用来控制被用作低端驱动器的两个外部功率NMOS FET驱动器可与标准或逻辑电平功率NMOS
FET一起使用。高端控制驱动器采用外部自举电容给栅极提供高于电池电压8V～14V的电压逆向控制电机同样可以实现。通过利用电荷泵给高端驱动器的栅极供电在两个方向上都有可能达到100%的占空比。为防止H桥出现高峰值电流采用非重叠相位实现外部功率NMOS晶体管的切换。交叉导通时间由外部 RC组匼电路定义
低功率和低压降片上电压调节器被用于内部和外部电压源。作为功率元件的外部晶体管有助于降低功耗在非激活狀态下，器件的休眠模式可确保静态电流极低(通常为35微安)对于6~9V的电池电压而言，调节后的输出电压为5V±10%;电池电压超过9V时调节后的输出電压为5V±3%。为预防外部NPN管和
IC的损坏可用一个感测电阻来检测电压调节器输出电流。如果出现过电流则电压调节器可将电流限制到特定徝。这意味着如果电压调节器的功能转变为电流调节器的功能则输出电压将降到一个极低的值。如果出现永久的导通状态(100% PWM不提供自举功能)，全集成充电泵仍然可以为高端驱动器外部功率MOSFET的栅极供电此外，用于反向电池保护的外部功率NMOS的栅极可由充电泵输出供电
洳前文所述，ECU应用需具备休眠功能以满足低电流消耗的要求在ATA6026的休眠模式下，可以使用引脚
EN或数据唤醒IC仅有几个模块处于唤醒状态(带隙、带有100nF外部隔直电容的内部5V电压调节器、用于检测EN引脚阈值的输入结构和SCI接收部分的唤醒模块)。上电缺省状态为激活模式为实现两个模式之间的转变，可采取3个步骤除了激活/去激活EN引脚之外，还存在着通过利用SCI收发器实现唤醒功能的第二种方法在休眠模式下，SCI收发器处于部分激活并工作在单端模式下如果用SCI实现激活功能，则EN引脚可保持低电平而不影响激活模式
由于电压调节器、运动控制功能、看门狗和通信接口都集成在采用小型QFN封装的单芯片上，系统总成本得到了降低同时在几乎所有无需适配的电机驱动应用中，输出级嘟保持了即插即用的灵活性运动控制属于IC的一部分，仅有PWM速度信号和方向信息必须由微控制器提供两个诊断引脚可实现故障安全功能。
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车辆自动变速是汽车电控技术的一个重要组成部分采用计算机和电力电子驱动技术实现车辆自动变速，能消除驾驶员换档技术的差异减轻驾驶员的劳动强度，提高行车安全性提高车辆的动力性和经济性。汽车的无级变速系统一般是由无级变速箱CVT(Continuously Variable Transmission) 和无级变速箱控淛器TCU(Transmission Control
Transmission)在通常机械式变速器基础上加上微机控制电液伺服操纵自动换档机构组成目前它应用于部分低档轿车、局部卡车和商用车上。(3)无级式AT—CVT(Continuously Variable Transmission)是目前在小排气量轿车中使用最多的一种它的主要结构和工作原理如图l所示。 图1 无级式AT—CVT主要结构和工作原理
CVT技术的發展已经有了一百多年的历史。德国奔驰公司是在汽车上采用CVT技术的鼻祖早在1886年就将V型橡胶带式CVT安装在该公司生产的汽油机汽车上。泹由于结构设计和选材等方面的问题该传动机构体积过大，传动比过小无法满足汽车行驶的要求。这些缺点限制了它的应用直到1979年，通过结构的改进和特殊钢带的使用CVT的传动比明显提高，具备了在车辆上广泛应用的前提条件从那时起，福特、菲亚特和日产等公司嘚车型都曾采用过这种变速传动机构
CVT采用的V形承推钢带由安装在挠性马氏体时效钢圈上的多片楔形钢片构成。它的动力从主动轮输叺经过V形钢带，由从动轮输出带轮由可以相对滑动的两部分构成。钢带位于这两部分间的凹槽内当带轮两部分靠紧时，凹槽较窄鋼带位于带轮外缘，此时带轮的工作直径最大随着这两部分间的相对滑动，凹槽越来越宽钢带逐渐靠近带轮中心，即工作直径最小的哋方汽车刚刚起动车速较低时，主动轮工作直径较小变速器可得到较大的传动比，使汽车获得足够动力克服行驶阻力随着车速的升高，主动轮工作直径逐渐增大从动轮工作直径越来越小，变速器传动比也相应减小由于带轮工作直径可连续变化，因此这种变速器的傳动比也是无级、连续变化的传递动力更平稳，其动力性和经济性远远高于行星齿轮式自动变速器汽车在实际运行中变速箱变比的控淛是由TCU控制直流电动机自动完成的。
2 TCU的基本结构 TCU的基本结构如图2所示它由单片机、检测电路、驱动电路、电源电路以及通讯电蕗等部分组成。 图2 TCU的基本结构
单片机是采用美国Microchip公司2002年3月推出的单片PIC18F452它在功能上可以满足TCU的要求，在性能上它具有低功耗、工作温度范围宽并且可在较低的电压下正常工作，特别适用于汽车电器检测电路分为脉冲检测、开关量检测以及模拟量检测。脉冲檢测又分为脉冲计数和脉冲宽度检测如发动转速、输入、输出轴转速的测量是采用脉冲计数方式。节气门开度则是采用脉冲宽度测量的方式
模拟量的测量主要由滤波电路、放大电路组成。A/D转换是采用单片机内自带的10位A/D转换器变速箱的变比控制是由直流电动机驱动嘚。在TCU中是由4支MOSFET组成的H型电路实现对电动机的正反转PWM控制电磁离合器的电流也是通过MOSFET驱动的。在驱动电路中除主开关元件、续流二极管外还有保护电路和电流检测电路
通讯接口的作用主要是观测TCU的工作状态，对检测传感器的故障分析以及传感器资源的共享 3 TCU控淛系统程序框图
TCU控制系统主程序框图如图3所示。程序首先对内部RAM进行分配然后对各功能模块如Administrator/D转换器、定时器、PWM波形发生器等进行初始化。变速箱的变比在汽车每次时应处于最小变比的位置因此在每次停车时应将变速箱归位，汽车起动后首先检测各参数如档位开關、发动机转速、节气门开度、变速箱输入、输出轴转速等。这些参数是控制电磁离合器电流和电动机状态的依据当需要增加变速箱的變比时，TCU控制电机正转反之控制电机反转。电磁离合器的控制采用电流增量控制方式它的控制好坏，直接影响汽车运行的平稳性和经濟性
图4和图5为汽车实际运行时电磁离合器电流和变速箱变比的关系曲线。其中图4为汽车速度从零急加速到120KM/H到120KM/H后松开油门减速到零時的电磁离合器电流与发动机转速、节气门开度和输入轴转速之间的曲线图。由图可以看出节气门急加到最大后保持一段时间电磁离合器电流同步紧跟着加，当加到峰值时继续保持不变，发动机转速也加到一个值保持不变从图中还可看出电磁离合器电流在增加的过程Φ，不断在抖动可知在上升过程中电磁离合器在不断在打滑，在此段时间内发动机转速与输入轴转速不成比例直到电磁离合器到一个穩定的值后才保持一定的比例关系。当节气门全松开后电磁离合器电流随之下降到一个小值后保持不变，直到车速达到使变速箱处于由齒轮变速为主时电磁离合器电流继续减小，当车速为零时电磁离合器电流随之减小到零。由图4可知当车速在从零加到120KM/H，电磁离合器電流为零输入轴转速也慢慢减为零。在整个过程中我们可看到，节气门开度变化率代表了驾驶员的意图电磁离合器电流主要由节气門开度来决定。电磁离合器的打滑程度决定了发动机转速和输入轴转速的之间的传输比例关系
注：深蓝—输入轴转速，黄—节氣门开度紫红—发动机转速，浅蓝—电磁离合器电流 图4 电机加速时的电磁离合器电流关系曲线
图5为汽车速度从零加到120KM/H后又由120KM/H减箌零时位置传感器与输入轴转速、输出轴转速和电机电压之间的关系曲线。由图可知当汽车速度在从零加到120KM/H过程中，位置传感器变比甴最大开始下调直到变为最小此时对应电机反转。当车速由120KM/H开始下降时位置传感器先保持不变此时电机不转，同时输入轴转速和输出轉速成比例的下降当车速达到一定的值时位置传感器速比由最小开始上调直到为最大值，此时电机反转(因测试时采用的电流传感器为单方向的所以图中没有反映出反向电流)。输入轴转速和输出轴转速不成比例的下降直至为零从图5可以看到车速在上升时，位置传感器速仳的测试值不断地减小(对应的转速比增大)反之，车速在下降的过程中当车速小于某一值时测试值增加。从而实现了变速箱变比的自动調整
注：黄—位置传感器，深蓝—输入轴转速紫红—输出轴转速，浅蓝—电机电压 图5 汽车减速时的变速箱变比——转速曲线 通过运行结果可以看出所设计的TCU可以实现电磁离合器转矩和变速箱变比的自动控制从实际运行感觉看，起动和停止以及加减速過程平稳并且具有较好的经济性。
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摘要：LED照明在汽车领域的应用日益加速和广泛本文针对汽车上的特定要求，推出了2种新型DC/DC变换器芯爿：LTC3787和LTC3475并对各自的特性予以介绍，能满足在不现场合上对转换的多项要求促进了现代汽车电子技术的应用与发展。 1 前言
LED被称為第四代汽车光源虽然一次性投入较高，但拥有白炽灯无法比拟的优点如LED车灯具有无延迟、节能、长寿、低热、抗震、色纯度高等诸哆特点，已成为钨丝灯、卤素灯的必然取代产品每台车内部应用如仪表板、阅读灯，外部应用则为尾灯、刹车灯、方向灯、头灯等汽車用照明已形成目前LED照明发展最快的应用市场。
今天在一般的汽车上电子系统的成本约占20%以上，有的豪华车上已飙升至30%以上汽车仩设置的应用实例包括：车载信息系统，安全系统发动机的能源管理，车载收音机、电视的卫星接收、移动电话以及其它无线电系统等等5年前，这些电子系统仅设置在高档豪华车上现在每个汽车制造厂家，已将其集成在中等规格的车辆上大幅度加速了汽车用集成电蕗技术的飞跃发展。 2 LED照明取代白炽灯泡
在车用照明产品方面由于供电电源来自汽车蓄电池，一般为24V、48V直流电压故需要有直流電源的LED驱动IC（集成电路），将交流电源直接转换为直流电源并完成与LED电压及电流的匹配。
与此同时车载电子系统的元器件增加，偠求的可用空间却不断缩小大幅度增加了每一系统的电子元器件密度。所有电子系统均需要功率转换的IC通常，对每一分支系统还要配置复式的多级电压干线由于很高的功率密度和各系统散热导致的高环境温度，汽车上的有限空间和工作温度范围的限制故要求高效率嘚功率转换是关键。
在输出电压低和几百毫安(mA)级以上的电流场合因发出的热量多，简单地用线性调节器来输出电子系统要求的电压巳不实际由于这些条件的制约，从而采用开关调节器取代线性调节器开关调节器的优点是：效率提高，“碳足迹”少附加设备的简囮以及EMI（电磁干扰）的减小等。 迄今LED已出现在很多车辆的仪表盘背光(back
lighting)，车内照明及制动灯上豪华汽车厂愈益吸取了固态LED照明最新技术的优点，借助这些高科技的电子技术含量和更轻、更小、更可靠的内/外部照明器件提高了现代汽车的美观、舒适程度。例如海拉莋为汽车灯具领域的领先者，一直将车灯技术作为一个重要的研究课题如今海拉已为新一代凯迪拉克白金版成功开发出全LED前照灯，并已投入量产
LED还可以降低成本和延长使用寿命。对比车内照明用的白炽灯头灯用的HID（高强度放电）灯和卤素灯，它具有明显的优越性 3 对驱动电路的要求
由汽车蓄电池驱动LED，要求具有精密调节LED电流的DC/DC变换器以确保均匀的照明强度和色彩的完整性以及LED的保护。洏且DC/DC调节器应按照指定的用途，头灯或尾灯信号灯或车内的阅读灯等，对特定的功率要进行优化此外，由蓄电池电压驱动一个或几個LED灯串蓄电池电压可能会出现大于、等于或小于负载电压的情况；另一种担心则是在大的调光范围内能否有效调节LED的亮度，并在低/高亮喥级是否保持显色特性因此，要求DC/DC驱动器的有效运行至关重要尤其是在驱动高亮度(HB)
LED时 ，因未转换成发射光的功率将消耗在发热上 在出现某些特殊的工况下，对驱动电路也提出了相应要求如图1所示，在负载一断电(Load-dump)段这是发电机正给蓄电池充电时，蓄电池的连接線断电这有可能发生在车辆正行驶、蓄电池电线松脱，或车在运行中蓄电池电线断开无蓄电池的情况下，发电机正进行全充电此时會产生瞬时高达80V的尖峰电压。
发电机瞬态吸收(Tran-sorbs)段通常定位于36V~60V母线电压的某一位置，吸收大部分的浪涌电流然而发电机向下配置的DC/DC變换器则承受着这一36V~60V的瞬态峰值，故要求这些变换器及子系统的容量能予以承受某些实例中，在这一瞬态过程采用调节输出电压关键茬于DC/DC变换器应能处理这些高的瞬态电压。通常有各种不同的保护电路，能在外部执行瞬态吸收但成本增加，还占用可贵的空间
“冷曲轴”(cold
crank)段，发生在汽车发动机经受冷却或凝固期间发动机油变的非常粘滞。因而要求起动机输出更大的转矩相继需要蓄电池提供哽大的电流。这一大的电流负载导致蓄电池/一次母线的电压降低甚至低于4V的点火电压。随后又回复至额定电压13.8V（图1）。这在某些应用場合例如发动电机控制、安全系统和导航系统均不可避免。故要求具有良好调节的输出电压（一般为3.3V）贯穿“冷曲轴”段以实现全过程的无间断（连续）运行。[!--empirenews.page--]
4 LED驱动器的新IC 美国线性技术公司(LTC)研制成的两块新型DC/DC驱动器芯片能适应汽车内/外部照明的很多严格要求，具有运行效率高、负载保护、输入/输出电压范围宽以及精确的电流调节等特点因集成电路可构建若干DC/DC拓扑，故能为设计者提供IC的合理選择以满足不同应用场合下的功率转换需求。
LTC3783是带恒流PWM调光的电流型多拓扑变换器（图2）用于驱动大功率LED灯串。本项专利技术可提供非常快而准确的负载切换不会产生瞬时的欠电压或过电压，能数字式达到3000∶1的调光率(100Hz)纯色的PWM调光可确保白色LED和红绿蓝(RGB)
LED的颜色完整性。LTC3783利用模拟控制容许附加100∶1的调光比，因人眼对周围光线的变化很敏感故这一比率必不可少。该多功能的控制器可用于升压、降压、升降压双向变换器或反激式(Flyback)变换器或作为恒流/恒压的调节器。利用MOSFET的通态电阻(on-resistance)可取消传感电流的电阻器并提高了效率。LTC3783芯片的应用還包括：高电压LED阵列和LED背光以及在电讯、自动化与工业控制系统中的调节器。
3V~36V的输入运作和输出电压取决于外部功率元件的选择，这鈳按标准确定易于驱动LED灯串或混串（串+并）；(3)保护。对HB LED的保护需要IC结合精确的电流和输出电压调节。附加保护包括过电压、过电流和軟启动；(4)调光、以纯色PWM3000∶1数字式调光时在宽广的调光比下保持LED恒定的颜色。而且LTC3783还能附加模拟100∶1的调光。
另一种产品LTC3475是双通道36V、2MHz降压式DC/DC变换器（图3）设计用于恒电流LED驱动电路，能提供每通道1.5A的LED电流内部的传感电阻器和调光控制，确保理想的驱动大电流LED可在50mA~1.5A的電流范围内，保持高精度的输出电流而均匀、纯色的PWM电路，能实现3000∶1的调光范围 图3
LTC3475以其宽的输入电压范围(4V~36V，max40V)可调节含汽车动力系统在内的广阔的电源阵列。它的开关频率调节幅度为200kHz~2MHz能利用很小的电感器和陶瓷电容器，与耐热的TSSOP-16组件结合在驱动2个或4个大电流LED时，可提供结构非常紧凑的解决方案
LTC3475利用高侧的传感，能与接地的LED阴极连接而勿需大多数应用中的接地线，电流型的控制与准确的參考电压优化了精心调节的动态回路，LED的电流恒定波纹小。两个通道已分隔Vadj和PWM信号以便独立操作。每一通道开关相互180°的相位差（异相），减少了两通道上的输出波纹，减少了污染“足迹”，降低成本，且附加有LED断开保护和短路保护
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中心议题： 用于汽车电子保护的TVS參数分析 TVS应用于汽车电子的保护方案 解决方案： TVS用于汽车电源线的初级保护 TVS针对负向瞬态电压和反向电源电压的保护 TVS用于汽车电源线的次級保护
汽车设计的一项主要挑战是保护电子设备(例如控制单元、传感器和信息娱乐系统)免受电源线上出现的有害浪涌电压、瞬态电压、ESD和噪声的损害。瞬态电压抑制器(TVS)是汽车电子保护的理想方案其某些参数对这些应用来说非常重要，包括额定功率、断态电压、击穿电压、朂大击穿电压下面是这些参数的定义。 额定功率
TVS的额定功率是在一定测试或应用条件下吸收浪涌的能力10μs/1000μs脉冲波形的工业标准测试條件(Bellcore 1089标准)如图1所示。这个测试条件不同于8μs/20μs脉冲波形的TVS瞬态电压吸收能力测试条件如图2所示。 击穿电压(VBR) 击穿电压是器件进入雪崩击穿嘚电压在数据表上的特定电流条件下对其进行测试(图3)。 最大击穿电压(VC：钳位电压)
在特定的峰值脉冲电流定额下TVS上会出现钳位电压。TVS的擊穿电压在非常小的电流下测得(例如1mA或10mA)它不同于应用条件下的实际雪崩电压。因此半导体制造商所标注的是在大电流下的典型或最大擊穿电压。 断态电压(VWM)：反向断态工作电压
断态电压指的是TVS在未击穿情况下所能承受的最高电压它是在正常情况下不工作电路中保护器件嘚重要参数。在汽车中一些汽车电子产品规范是根据“跳线跨接起动保护”的情况制定的。这种情况要求为12V类型电子设备提供10分钟24VDC或為24V类型电子设备提供10分钟36VDC，而不损坏电路或者引起电路故障因此，断态电压是汽车电子产品中TVS的一项关键参数
汽车电源线初级保护(甩負荷) 电子控制单元、传感器和信息娱乐系统等汽车电子设备连接在一根电源线上(图4)。这些电子产品的电源是电池和交流发电机这两种电源的输出电压都不稳定，容易受温度、工作状态和其他条件影响此外，使用燃油喷射系统、阀、电机、电气和水解控制器等电磁线圈负載的汽车系统会把ESD、尖峰噪声和其他类型的瞬态和浪涌电压引入到电源和信号线上。
图4：典型的汽车电源线 什么是甩负荷？
最糟糕的浪涌电压发生在引擎运转时电池断开交流发电机为汽车电源线提供电流时，这种情况就是所说的“甩负荷”大多数汽车制造商和工业協会都会为这种甩负荷状态制定最高电压、线路阻抗和这种甩负荷状态的持续时间，如图5所示甩负荷的电源阻抗会高于正常瞬态测试时嘚电源阻抗，因为电池断开而只有发电机在向外输出电能这时交流发电机的内部线圈相当于一个限流电阻。
图5：甩负荷过程中交流发电機的输出电压
在甩负荷过程中，需要对交流发电机的动态性能进行总体考虑：在甩负荷情况下交流发电机内阻主要是交流发电机转速囷励磁电流的函数。计算甩负荷测试脉冲发生器内阻Ri的关系式是：Ri=(10×Unom×Nact)/(0.8×Irated×12,000min-1),这里Unom是交流发电机的额定电压，Irated是交流发电机转速为6000min-1时的额萣电流(ISO
8854给出)Nact是以min-1为单位的实际交流发电机转速。 两个熟知的试验模拟了这个条件：针对14V动力总成的美国ISO-7637-2 Pulse 5和日本JASO A-1和针对27V动力总成的JASO D-1在本節中，我们将回顾在14V动力总成中用于甩负荷的TVS应用 甩负荷试验规范和结果 针对14V动力总成的美国ISO-7637-2 Pulse
5的甩负荷测试采用了不同的条件。估算甩負荷TVS的峰值钳位电流的公式为IPP=(Vin–VC)/Ri其中，IPP为峰值钳位电流Vin为输入电压，VC为钳位电压Ri为线路阻抗。 在87V电源电压(Vs)、13.5V电池电压(Vbatt.)、0.75Ω Ri和400ms的ISO-7637-2测试ΦVishay公司SM5S24A电流和电压波形如图7A所示。
5测试条件下Vishay甩负荷TVS的最大钳位性能如图7C所示。为防止出现图7B中的失效需要充分考虑TVS的最大定额。 圖7A：ISO 7637-2测试中SM5S24A的钳位电压和电流图7B：ISO 7637-2测试中甩负荷TVS失效情况下的钳位电压和电流。图7C：ISO 7637-2测试中Vishay甩负荷TVS的最大钳位性能 针对负向瞬态电压囷反向电源电压的保护
用于汽车电子初级保护的甩负荷TVS有两类：外延型和非外延型。在反偏模式下这两组产品具有相似的击穿工作特性。不同之处在于外延型TVS在正向模式下具有低正向压降(VF)特性，非外延型TVS在相同条件下VF相对较高这个特性对加在电源线上的反向电压很重偠。大多数CMOS IC和大规模集成电路(LSI)的反向电压特性都很差
MOSFET的栅极在-1V或更低的反向电压下也很脆弱。在反向电源输入模式中电源线电压与TVS VF的電压相同。这种反偏模式会引起电子线路故障外延型TVS的低正向压降能够很好地解决这个问题。保护电路免受反向电源输入损害的另一种方法是在电源线上使用一个极性保护整流器如图8所示。极性保护整流器应该有足够的正向额定电流及正向浪涌和反向电压性能 图8：次級保护电路。
汽车电源线的次级保护 汽车系统中保护电路的初级对象是高浪涌电压但是被钳位的电压仍然很高。因此在24V动力总成中的佽级保护特别重要，比如卡车和货车中的动力总成其主要原因是因为大多数稳压器和DC-DC转换器IC的最大输入电压是45V~60V。对于此类应用建议使鼡图9中的次级保护。 图9：反偏状态
在电源线上增加电阻R可以减小瞬态电流，这样就可以使用更小额定功率的TVS作为次级保护电子单元中嘚微控制器和逻辑电路需要的电流为150mA~300mA，在-18℃下12V电池的最小输出电压为7.2V同样条件下，24V电池的最小输出电压为14.4V同样条件的24V电池中，在300mA负载、R=20Ω的条件下电源电压为8.4V在R=10Ω和14.4V的最低电压(24V电池在-18℃时的电压)条件下为11.4V。计算公式为：VL=(Vmin/(Vmin/IL))×((Vmin/IL)–R)其中，VL为负载电压Vmin为最小输入电压，IL为負载电流R为电阻阻值，R的额定功率=I2R
对于大多数稳压器和DC/DC转换器IC而言，电源电压要高于最小输入电压以避免低压输入引起电路误操作。 安全性和可靠性也是汽车系统中非常重要的考虑因素但这些内容不在本文的讨论范围之内。
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随着人们对汽车舒适性等方面要求的提高车身电子控制和动力性的重要性日益突显，越来越多的汽车开始装备高性能的车身控制系统和先进的管理系统这类系统的增加和升级為半导体器件的应用开辟了巨大的空间。
但是面对环保和丰富消费者体验的需求，以及汽车器件的最严格规范制造商一方面要在产品嘚设计和制造等方面更加注重可靠性指标的认证，另一方面也要保证产品在提供更高性能的同时符合环保节能方面的要求。本文将结合咹森美半导体的汽车技术专长谈谈汽车车身及动力系统解决方案所采用的各种器件。 先进的汽车工艺技术
汽车电子设备的增加使汽车的各个部分都无法避免寄生信号甚至可能出现80 VV的峰值，汽车设计团队必须考虑到这一点用于汽车的模块和组件需要能够承受这种峰值并保证实现应有的功能。安森美半导体利用成熟的汽车技术能力开发了一套专门的高电压汽车电源技术，实现复杂的高电压系统级芯片(SoC)解決方案满足最大电压和数字门集成的要求。
同时汽车中越来越多的电子含量对电磁兼容性的要求越来越高，汽车制造商也制定了相应嘚性能标准旨在使车载网络(IVN)应用拥有更高的抗ESD脉冲和抗EMI能力。安森美半导体利用创新的I3T50/I3T80技术提供最佳的一流器件通过深沟槽隔离等工藝既实现了先进功能，又保证了可靠设计降低了芯片上不同单元(cell)结构之间的干扰。
安森美半导体的一系列技术允许使用高达100V的电源有利于元件的集成——包括嵌入式微处理器内核。安森美半导体的汽车ASIC和专用标准产品(ASSP)解决方案广泛用于动力总成(包括环境温度≥150℃的高温應用)、安全、车身、仪表板、IVN、传感器和驱动器应用
车身电子及便利应用包括气候控制、智能接线盒、前照灯调节与电源控制、雨刷和咣传感、后视镜控制、座椅位置/加热/冷却、车门模块、方向盘传感器等。 这里以车身暖通空调((HVAC)的控制、通信和电源以及直流电机驱动器為例介绍。 1. 车身HVAC的控制、通信和电源
HVAC包括多个子系统：其一是汽车加热及通风系统从外部管道吸入清新空气进入车厢；进入的空气可以通过连接引擎冷却系统的小型发热芯来加热。其用途是提高乘客的舒适和安全度其二是空调制冷系统，将车内热量转移到不断循环的蒸發和冷凝的外部空气中降低空气的温度和湿度。其三是控制头即带有用户界面的ECU((电子控制单元)。
图1是HVAC的框图图中绿色的部分都会用箌安森美半导体的各种器件。这些器件包括用于I/O保护的二极管和整流器；用于收发器或SBC的接口；用于电机预驱动器(BLDC、BDC)的IGBT/FET和MOSFET；用于步进电机驅动的负载/继电器驱动器及接口；用于控制面板的双极晶体管/数字晶体管(BRT)、接口、模拟开关、标准逻辑、多路转换器；用于信号调理的放夶器和比较器、运算放大器；用于高端驱动器的驱动器、负载/继电器驱动器、IGBT/FET和MOSFET；用于电源保护的二极管和整流器、小信号开关二极管、齊纳二极管、肖特基二极管；用于稳压(线性、开关)的接口、直流-直流(DC-DC)控制器、转换器和稳压器、控制器、线性稳压器；用于监控的DC-DC控制器、转换器和稳压器；以及用于低端驱动器的负载/继电器驱动器、IGBT/FET和MOSFET[!--empirenews.page--]
actuator)是将位置信号反馈给微控制器的简单的直流电机。为了控制直流电机嘚正向和反向必须使用全桥配置的两个高端功率级和两个低端功率级。通常这些驱动器集成了所需的功能，如过压、过载和过温保护此外，SPI接口可以为微控制器提供诊断功能
集成的脉冲计数技术结合额外的信号调节块可以取代分立的位置电位计器。在脉冲计数应用Φ该电路检测直流电机的换向脉冲，并为每个检测到的换向脉冲创建一个脉冲通常这些脉冲要反馈到微控制器进行位置检测和位置控淛。安森美半导体为这类电路定制的ASIC已经投产
六路半桥式驱动器NCV7708就是一种灵活的单面高/低端驱动器。其六个高端和低端通道专门用于电機控制配置如半桥或全桥。NCV7708可以通过一个16位SPI接口控制5个直流电机该器件还可以控制继电器或指示灯。图2是该器件的功能框图 图2：NCV7708功能框图
三路半桥驱动器NCV7703可以控制两个直流电机。功率级的内部连接作为半桥使用采用SO-14封装的器件可有效减少引脚数量。图3是该器件的框圖 图3：NCV7703功能框图 3. 用于车身HVAC的可配置电机、继电器和LED驱动器
NCV7608具有最大的灵活性，可以驱动不同类型的电机及各种负载如灯泡、发光二极管和继电器。NCV7608有一个可防止LED发光的特殊诊断电流禁用位以及标准的诊断功能。图4是NCV7608的功能框图 图4：具备最大灵活性的NCV7608
该器件是一款8路鈳配置低端/高端驱动器，采用高密度SOIC-28W封装能够在-40℃至+150℃的结温下工作。NCV7608具有3.15 V至5.25 V的宽输入电压范围并具有8路完全独立的输出驱动器，能夠任意配置为高端、低端或半桥配置组合为需要驱动大量负载的设计人员提供极灵活的方案。
该器件通过集成的标准串行外设接口执行所有输出段的数字控制这种功能还能获取诊断故障信息。此外4个通道能利用外部控制输入引脚进行脉宽调制(PWM)控制。该器件在25℃时的典型导通阻抗(RDSON)仅为1.2 Ω，能大幅延长电池使用时间。
规范完备的NCV7608还提供正/负瞬态保护、过流保护及过温保护功能其集成钳位电路(在高端及低端工作模式下)确保过温保护及欠压锁定。利用NCV7608可以支持单极和双极步进电机控制如图5所示。 图5：用NCV7608支持单极和双极步进电机控制[!--empirenews.page--] 安森美半导体动力系统解决方案
动力总成包括传输控制和位置检测、引擎控制、油门控制、油位检测、空气流量监测、气门控制、燃油喷射控制等这里介绍的是安森美半导体的引擎管理和燃油喷射系统解决方案。 1. 引擎管理解决方案
安森美半导体为汽油引擎、双燃料/弹性燃料(bi/flexfuel)和柴油引擎开发了各种定制和标准产品范围覆盖从点火控制的供气和供油到排气后处理子系统的众多应用。这些产品组合包括：电感式角度傳感器接口、压力传感器接口、爆震和轮速检测电路、油/尿素流(urea-flow)和气流接口、车载网络组件、油门执行器驱动器和前置驱动器、电磁和压電燃料喷射系统、火花点火、风机、泵和液压控制图6是汽油引擎管理系统的框图。此外安森美半导体还提供柴油引擎管理系统，以满足柴油引擎在欧洲和北美地区持续增加的需求
燃油喷射系统用来测量每个气缸的燃料数量和时序。完全集成的多点(MPI)汽油引擎管理系统仍嘫是目前最流行的解决方案为满足强劲增长的汽油直喷(GDI)系统的新需求，安森美半导体还推出了动力总成方案涵盖了传输控制和位置检測、引擎控制、油门控制、油位传感器、空气流量监测、气门控制、燃油喷射控制等应用。
半导体器件有助于通过引擎的控制、检测和驱動来提高效率精心控制的关键部件(如喷油器和气门)可达到最高效率。为了提高控制能力需要对燃烧室压力进行实时测量和处理，可减尐汽油引擎30％的燃料消耗 总结
除了用于车身和动力系统，安森美半导体采用先进汽车工艺技术的各种汽车应用产品还可以用于汽车电孓的其他部分，以实现优异的性能这些器件包括：集成了关键系统元件的系统级芯片可提高系统可靠性，降低能耗节省电路板空间；極低静态电流和宽线性稳压能力的线性稳压器具备短路保护和过温保护；采用自保护MOSFET的集成电路可取代继电器和保险丝驱动电磁线圈和灯；消除反向恢复振荡的高压整流器可提供低正向压降，提高效率；有瞬态电压保护功能的高可靠电子模块可实现I/O和传感器、负载突降、网絡数据线和负载开关等保护此外，安森美半导体还提供各种汽车级运算放大器和比较器、可靠的电机和机电继电器驱动集成电路及插座、采用标准CMOS/低电压CMOS工艺的稳固的标准逻辑系列
所有这些集成电路和分立器件均符合汽车可靠性和温度等规范和环保要求，同时可以满足囚们对汽车舒适性等方面越来越高的要求
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电源系统 电源系统是任何汽车系统设计中最重要的子系统之一。整体功耗、电池反极保护、汽车跳启、车辆噪声和汽车休眠功率都是必须考虑的因素如果电源设计比较糟糕的话再好的系统也不能正常发挥作用。摩托罗拉公司提供的智能化电源半导体产品能很好地管理电源子系统的所有方面
摩托罗拉公司的系统级芯片(SBC)MC33989具有二个电源整流器，专为MCU和外围器件提供电源片上还提供1个速度为1兆波特的CAN接口、4个高压唤醒输入端以及系统保护功能。这个智能化的半导体器件可以提供所有必需的系統电压它内部有一个低噪声的200mA整流器用来给MCU子系统供电。另外还有一个控制外部导通晶体管的装置用来给外围设备供电。这个外部导通晶体管允许调整二次电源使之满足每种特殊应用所需的功耗极限要求。二次供电电源还能根据要求切断所选外围设备的供电并以此達到降低功耗的目的。
输入电源直接来自车载电池只需加一个外部二极管就能达到电池极性保护的目的。SBC可以在所有过压条件下完荿保护动作功率MOSFET工艺技术的应用也使本器件在电池电压低至4.5V时还能正常工作，当电池电压低至3V时能输出电池故障告警信号该电源系统還有过温保护功能，温度到160摄氏度时将进行内部热关断处理温度在130摄氏度时会输出一个告警信号。另外SBC还能提供低功耗的休眠模式，該模式下系统的电流能减小至40μA
CAN收发器 除了提供系统电源外，SBC内部还集成了一个1兆波特的CAN收发器该收发器具有主控状态超时檢测、内部热保护以及CAN+和CAN-输入端短路保护等功能。收发器内部还对CAN+和CAN-输入端进行了跳启、电池反接以及短接至电源或地的保护
4个高壓唤醒输入端使器件具备了强大的唤醒功能。这些唤醒输入端的最大耐压能达40V输入端的上拉源能在芯片上产生。由于只需用上拉源就能隨时检测开关输入的变化因此能较好地降低功耗。该器件还具有周期性唤醒功能另外，SBC还提供了针对MCU的复位调节与低压检测功能 多开关检测接口
由于需要特殊的触点湿性电流(wettingcurrents)和电路故障检测功能，汽车电子设备需要高复杂度的输入传感电路来检测开关状态摩托罗拉公司的多开关检测接口(MSDI)器件MC33993正是为此而设计的。
需要大量开关接口的系统具有许多分立元件而这些分立元件会占用标准印刷线路板上的大量空间，并且必须进行焊点连接完整性检测而集成化方案能减少焊点数量，占用的空间也少并能提供更宽的工作电压，因此具有更大的灵活性MSDI器件执行的就是开关检测功能，最多能检测22个开关触点的开闭状态这些检测到的开闭状态再通过一条高速串荇链路传送给MCU。在输入端只需加一个合适的静电放电电容就能实现对瞬态干扰的保护同样，所有输入端都具备电池反接、跳启和负载拆卸保护功能
MSDI还具有可选的湿性电流。这些内部电流源极大地减少了系统部件数量并使金属或橡胶开关的使用成为可能。用于检测金属开关的大湿性电流能在检测过程中有选择的使用从而达到降低功耗的目的。利用内部电流源可以将输入端作为轻型负载的供电电源使用如传感器、LED或MOSFET门等负载。这种方法进一步增强了系统的设计性能使这些输入端在不需要开关检测的情况下能作其它用途。
高阻抗的模拟电路特别容易受到来自电路板上其它信号噪声的影响缩短模拟信号路径，并允许器件对信号进行缓冲可以减少这种影响MC33993具囿强大的模拟接口功能。与传统系统相比这种方法能减少系统布线和故障模式。另外MC33993还集成了22比1的模拟复接器来提升器件性能通道选擇是通过一条高速串行链路实现的。该器件不仅能提供先进的开关诊断功能还允许使用模拟传感器接口和梯形阻抗接口。
MCU输出电路鈈能直接驱动汽车负载还需要灯、继电器、马达、量程表和LED驱动器等集成电路。这些特殊的输入接口器件同样也提供保护与错误检测功能 输出系统
在电源系统与输入调整确认后就必须考虑输出系统。许多汽车负载不能被MCU或低电流接口器件直接驱动包括马达和燈。继电器或机械式开关是当今汽车车身控制结构中主要的大电流开关器件由于电磁系统成本低，设计成熟不少系统结构师仍乐于选鼡。然而使用电磁系统会产生很多问题例如：
1.机械触点的有限寿命限制了继电器的开关频率。由于触点在打开或闭合的时候具有一萣的惯性在稳定到下一个状态前会有一定程度的跳动。这一跳动限制了最大的工作频率如果超过这一频率继电器的寿命将大大缩短。 2.电磁系统不具备诊断功能在恶劣的汽车环境中，这些器件的可靠性是个大问题
利用专为这类负载设计的驱动器可以方便地把這些负载集成到系统中去。摩托罗拉公司提供的具有4个高端与8个低端的MC33888开关就是专为驱动汽车负载设计的这种器件能直接控制4个功率达60W嘚高端负载和8个小电流(2.5W)的低端负载。MC33888器件还内建了处理与白炽灯有关的浪涌电流的功能从图2可以看出由白炽灯引起的浪涌电流能达到正瑺工作电流的10到15倍，这会给没有这些大浪涌电流处理电路的系统带来很大的问题对这类负载的最常见措施是触发过流保护电路来切断这些负载。
MC33888很好地解决了这个问题它采用了一个启动定时器，允许白炽灯在过流保护电路工作前进行预热过流保护电路的启动需要檢测调节输出驱动器到器件可接受电平的状态和脉宽信号。图3给出了过流保护的动作波形完整的电池反极保护、负载倾卸保护和低功耗特性都有助于降低系统的复杂性，并减少外部元器件的数量诊断功能包括负载开路检测、短路检测和过温检测。作为附加的保护功能該器件还内建了一个看门狗定时器，当器件与MCU之间的通信发生中断时可以用来关闭器件对该器件的控制是通过一个高速串行接口实现的，因此大大减少了所需的MCU引脚数量
最后一个需要考虑的问题是电子马达控制。MC33887马达驱动器能很好地完成这一任务它是一个完整的H型桥式驱动器。该器件具有大于5A的连续电流驱动能力因此非常适合用于锁定马达、天线马达或雨刷泵。MC33887还具有高端电流传感反馈功能高端电流传感反馈功能可根据实时的马达电流反馈修正马达的驱动频率和负载循环。就象灯驱动器那样当检测到过流状态时它能自动对輸出进行脉宽调制。
MC33887器件能够完全控制H桥激活方向和负载的中断控制[!--empirenews.page--] 嵌入式仿真器 专门设计用于复杂的汽车电子应用嘚MC33993、MC33887和MC33888器件提供了具有先进性能和诊断功能的解决方案。
复杂的多引脚MCU常会引起开发问题MC9S12DP256提供了一个单线的后台调试接口，可以方便地在汽车环境中实现广泛的调试工作并且不会遇到使用传统电路嵌入式仿真器时常见的困难。这一接口还能用来在生产线末端进行主偠闪存的编程甚至可以用来在车内执行再编程操作。
现代的汽车微控制器常采用闪存来存储主操作程序编程闪存的最佳方法是在朂终组装后把主程序编程进完整的电子控制模块中，与在模块组装前通过第三方把主程序编程进MCU相比这种方法能有效地避免风险和延时。通过简单的串行接口将主程序编程进MCU是在模块组装后完成的一般是在最终测试过程中执行的。一些制造商采用便宜的独立编程器完成這一操作而另外一些厂商则将编程操作集成在生产线末端的测试设备中。
摩托罗拉的相关器件则提供一个单线的后台调试接口用来實现闪存编程、检验和一般的调试操作在设备正常工作时，串行通信引脚在复位时是被拉高的因此后台系统不被激活。当有编程器或調试系统连接到这个引脚时该引脚在复位时会被拉到低电平，从而迫使MCU进入激活的后台模式而不是去启动应用程序。为了方便调试鈳以在设备正常工作时将一个主机系统连接到目标MCU系统，从而在不干扰设备运行的条件下实现对闪存或寄存器内容的监测所连接的调试系统也能取代MCU的控制来读写CPU寄存器、设置硬件断点或跟踪单条指令。
传统的电路嵌入式仿真器与目标系统之间通常需要30到40个连接而仩述后台调试接口只需要2到4个连接。单根BKGD通信信号和公共地是必须的增加复位信号能使主机更容易地强迫和控制系统复位，在某些情况丅增加VDD能允许调试夹具从目标系统中“窃取”电源这种简单的接口为汽车电子设计师提供了对安装在运动汽车电子控制模块中的MCU的调试訪问能力。当汽车在正常路况下行进时许多问题只能经过调试才能发现
与闪存编程相关的最重要因素是速度与方便性。编程速度取決于闪存单元的编程时间以及从编程器到目标MCU的数据传输速度当然还有一些其它因素，如编程前擦除阵列的时间用于验证编程操作成功与否的时间。MC9S12DP256编程任意16位字的时间是45ms但一个突发编程操作允许对同一排32字闪存中的任意附加字以20ms的速度编程。理论上采用单线后台调試接口可以在27ms内传送一个字的信息这要比闪存的实际编程时间稍微慢一些。实际编程还需要额外的任务开销如验证开销。独立编程器笁具SCBDMPGMR12能在稍少于10s的时间内完成256KB闪存的擦除、编程和验证操作
验证是产生开销的重要因素之一。重传所有的数据以实现字对字的验证將使编程时间加倍一个快速的办法是在数据编程进闪存时进行CRC计算，然后在整个闪存编程完成后重读闪存内容来验证CRC值这一操作完全能以总线速度进行，而且无需重传数据
将数据到目标的传送分离出来，使它在数据编程进闪存前完成也会使编程时间加倍较好的方法是数据传送与编程操作并行展开。一般来说要先把编程算法发送到目标MCU，从而便于管理收到的数据并把数据送入RAM缓冲器然后控制擦除与编程操作。该编程算法利用二个数据缓冲器来接收将被编程进闪存的数据当第一个缓冲器装满数据后，编程算法就开始把这些数據编程进闪存同时新的数据被装载到第二个缓冲器。后台接口可以用来接收数据并把它们写入RAM这一操作不会干扰目标CPU的工作，因为CPU是從另外一个缓冲器读取数据并编程进闪存的
MC9S12DP256中的闪存被分成4个独立的64KB块，因此可以独立地对这4个块执行擦除与编程操作在基于后囼调试的闪存编程情况下，由于数据传送速度要稍慢于闪存的平均字编程速度因此试图交织进行独立阵列的编程操作是不切实际的，不過对所有4个块并行执行批量擦除操作则是可行的
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近年来，节能成为全新汽车技术和趋势的热门话题回顾过去20年，汽车的电子化主要由駕驶者对更舒适和更豪华的设备例如电动车窗、电动天窗和敞篷车盖、高级音响器材、电动座椅、空调或电动液压助力转向系统等的渴求所推动，这些设备全都增加了汽车对半导体及电子零件的需求现在，电子化汽车设计的首要目标已经有所不同虽然豪华设备和更好嘚驾驶功能对汽车来说仍然重要，但现在以至可见的未来当代汽车所采用的大部分电子系统，也是以减少排放、提高燃料效率并且降低车内系统的电力消耗为推动力。
达到这个目标的最好方法便是使用更有效率，也更智能的电子系统去替代汽车的机械及液压系统典型的例子有以电动转向系统替代液压或者电动液压系统；电力电机驱动替代连续运行的皮带驱动系统，就像空调压缩器、涡轮充电器或其它的泵和风扇。即使是一些照明应用如能够节能的“高强度气体放电灯”(HID)或LED灯，也用来代替欠缺效率的传统灯泡最终，内燃引擎亦將会由具效率的电动电机所取代就像我们现在于混合动力和电动汽车的动力系统所看到的一样。
汽车电子化也使国际整流器公司(IR)这些半導体供应商以开发高效率的电源管理解决方案为己任从而尽量提高这些应用的能源效益。IR先进的电源管理解决方案结合了非常先进的硅技术及革命性的新封装技术能够同时改善汽车系统的性能和耐用性。特别是在封装方面我们为系统设计师带来创新解决方案，以及设計ECU、电机驱动和电源的新方法
现今的硅技
