如何采用车身控制模块提高上桥臂驱动器的稳健性

作者：Luc，Dang，意法半导体

采用智能手段控制车内外照明在汽车电子系统中变得越来越重要；在紧凑的车身控制模块内集成的功能越来越多，这种发展趋势必然带来相应的技术挑战。汽车照明系统对电子元器件的要求越来越高，智能复用器可以解决PWM通道、诊断功能和系统可靠性问题。

车身控制模块（BCM）是执行各种功能的电子控制单元，这些功能包括控制和诊断，以及车内外照明的失效管理或子模块电源分配。车身控制模块还能处理车门锁执行器、刮水器、防盗功能和门禁系统。此外，车身控制模块还能执行网关功能，兼做连接车内不同通信网络的网桥。今天的车身控制模块还在不断发展进化。下面我们探讨车身控制模块的与汽车照明相关的控制与诊断功能的发展趋势。

现代车身控制模块的发展趋势

上桥臂驱动器的PWM控制功能：为节省成本和重量，强化诊断功能，固态开关（又称上桥臂驱动器）取代机电式继电器是执行器的发展趋势。目标应用对这些上桥臂驱动器的要求日益严格。实际上，为修正电瓶电压变化引起的瞬变事件，使LED灯和普通白炽灯的亮度保持稳定，系统必须利用脉宽调制（PWM）信号控制这些驱动器。当汽车电瓶电压很高时，这种控制功能还能避免白炽灯丝快速熔断或LED灯出现过热现象。

上桥臂驱动器的诊断功能：上桥臂驱动器提供一个与负载电流成正比的数字状态或电流检测信号。根据这些信息，系统必须以可靠的方式识别并报告不同的失效条件：超载、对地短路或对电瓶短路、过热、通态开路、断态开路。

平台解决方案的通用性：车身控制模块不仅要控制一款给定车型的几种设备，还要满足不同市场（亚洲、欧洲、美洲）的特殊要求。此外，多款不同的车型之间还共用同一个车身控制模块。重复使用模块，降低研制成本，提高产品质量，是前述发展趋势背后的主要原因。

这些发展趋势让设计人员意识到，开发一个尖端车身控制模块将会面临很多挑战。下面我们讨论其中的一些主要挑战。

新挑战

大量的具有PWM控制和同步诊断功能的上桥臂驱动器

传统汽车原本配有三个车身控制模块，分别位于车前、车后和外部，而现代汽车将这三个模块内的功能整合到二个甚至一个模块内。客车车身控制模块的上桥臂驱动器通常有40多条通道，而货车上桥臂驱动器通常有80多条通道。在PWM通道之间实现的移相控制有利于防止同时发生的灯泡浪涌电流引起巨大的电压降，提高系统的电磁兼容性。此外，需要对每个已激活负载的输出电流进行定期监测和PWM控制；必须避免错误的失效检测，例如，冷白炽灯丝的高浪涌电流引起的超载检测。诊断功能还应滤除乱真失效条件，例如，由ISO脉冲引起的失效条件。具有移相功能的PWM信号发生器配合对大量通道的同步诊断功能，可能导致微控制器的负荷加重。

上桥臂驱动器的伸缩性

为符合ISO26262 （ASIL B）的功能性安全要求，上桥臂驱动器的电源电压通常分为2-4个电压轨。有时候，一个多通道上桥臂驱动器不能控制一个以上的安全负载（近光灯、刹车灯、示宽灯…）。除这些限制外，根据负载特性对功率级大小的优化和汽车平台内的变化，可能导致一个由单通道和双通道上桥臂驱动器组成的驱动区。总之，我们需一个内部集成度很低的可伸缩的上桥臂驱动器解决方案，以执行同步诊断和PWM控制功能。

优异的抗短路稳健性（又称鲁棒性），能够滤除间歇性负载条件

按照汽车工业的零缺陷原则，电子元器件和系统的安全性、容错性和抗异常负载条件的稳健性变得越来越重要。特别是，上桥臂驱动器的输出对地短路不得导致失效输出烧毁。尽管内置保护机制，但是，在热机械应力和电子迁移现象引起的短路条件下，标准上桥臂驱动器仍然会被烧毁。滤波时间越长，上桥臂驱动器被击穿的风险越高。如今，当诊断功能交由微控制器直接负责时，对上桥臂驱动器的电流检测或数字状态的采样时间达到10ms到100ms。另外，必须实现一个滤波功能，以免在验证失效条件前发生瞬变骚扰引起的错误的失效报告。

利用一个智能复用器降低微控制器的负荷，提高系统的稳健性

L99PD08又称为AMICO （先进复用器和集成化协处理器），是一款智能型多路复用器，能够控制并诊断上桥臂驱动器的8条通道（图1）。上桥臂驱动器可以是意法半导体VIPOWER M0-5、M0-5E和M0-5T系列中的任何一款产品，与每个器件的导通电阻Rdson数值、诊断类型和通道数量无关。L99PD08是微控制器与上桥臂驱动器之间的接口。该复用器通过SPI总线接口与微控制器通信，可使16通道上桥臂驱动器所需的微控制器的引脚数量从32支降至11支（如图2所示）。

8位分辨率PWM信号的时钟来自两个外部时钟源。为防止同时发生的灯泡浪涌电流引起的巨大的电压降，提高系统电磁兼容性，L99PD08在每条PWM通道内引入一个移相控制功能。L99PD08同时监测上桥臂驱动器的8个通道，每隔32µs对每个诊断信号进行一次采样。在通态或断态过程中，实时诊断功能总是考虑采样是否完成。当施加一个PWM信号时，最终的同步过程可避免错误的诊断发生。

图1：L99PD08的结构示意图

图2：应用示意图

当上桥臂驱动器发生短路时，L99PD08的反应时间从64到100µs，以滤除快速的ISO瞬变事件引起的潜在危险。L99PD08的关断锁保护功能可大幅提高上桥臂驱动器在短路时的稳健性，而无需微控制器的干预或介入。在AECQ100-012标准规定的测试条件下对L99PD08进行的性能评估显示，在-40°C下的长脉冲测试（关断前反应时间300ms，见图3）过程中，L99PD08的稳健性改进因子是微控制器对上桥臂驱动器进行直接诊断架构的300倍。

图3：通过自动关闭功能提高器件在短路条件下的稳健性

结论

L99PD08有助于开发人员满足车身控制模块的日益严格的要求，内置PWM信号发生器和同步诊断功能，在短路条件下反应时间短，这些特性有助于减轻微控制器的负荷，提高上桥臂驱动器的稳健性。AMICO还通过SPI接口提高M0-5、M0-5E和M0-5T系列上桥臂驱动器的性能，降低12V和24V系统对微控制器引脚数量的要求，同时还能降低软件的复杂程度，这对汽车软件的未来发展十分有益，因为随着汽车工业引入AUTOSAR标准，汽车软件的复杂性是汽车工业即将面临的一个重要课题。

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