汽車級(jí)多路復(fù)用器TMUX13xxA - Q1：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在汽車電子系統(tǒng)不斷發(fā)展的今天，對(duì)于高性能、高可靠性的模擬和數(shù)字信號(hào)處理元件的需求日益增長(zhǎng)。TMUX1308A - Q1和TMUX1309A - Q1作為德州儀器（TI）推出的汽車級(jí)多路復(fù)用器，憑借其卓越的性能和豐富的特性，在汽車電子領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。

文件下載：tmux1309a-q1.pdf

一、產(chǎn)品概述

TMUX1308A - Q1是一款8:1單通道（單端）多路復(fù)用器，而TMUX1309A - Q1則是4:1雙通道（差分）多路復(fù)用器。它們均為通用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）多路復(fù)用器，支持源（Sx）和漏（Dx）引腳上從GND到VDD的雙向模擬和數(shù)字信號(hào)傳輸。這兩款產(chǎn)品經(jīng)過(guò)AEC - Q100認(rèn)證，適用于汽車應(yīng)用，工作溫度范圍為 - 40°C至125°C，能夠在惡劣的汽車環(huán)境中穩(wěn)定工作。

二、特性亮點(diǎn)

2.1 注入電流控制

傳統(tǒng)的CMOS開關(guān)在面對(duì)注入電流時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)信號(hào)干擾、系統(tǒng)可靠性降低等問(wèn)題。而TMUX13xxA - Q1系列產(chǎn)品具有內(nèi)部注入電流控制功能，它消除了通常用于保護(hù)開關(guān)和使輸入信號(hào)保持在電源電壓范圍內(nèi)的外部二極管和電阻網(wǎng)絡(luò)的需求。內(nèi)部注入電流控制電路允許禁用或啟用的信號(hào)路徑上的信號(hào)超過(guò)電源電壓，同時(shí)防止高于VDD的禁用通道影響啟用信號(hào)路徑的信號(hào)。這一特性大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。

2.2 反向供電保護(hù)

該系列產(chǎn)品沒(méi)有到VDD的ESD二極管路徑，這消除了損壞連接到電源引腳的組件或?yàn)殡娫窜壧峁┮馔怆娫吹娘L(fēng)險(xiǎn)。這在汽車電子系統(tǒng)中尤為重要，因?yàn)槠嚟h(huán)境中可能會(huì)出現(xiàn)各種復(fù)雜的電氣干擾和故障情況，反向供電保護(hù)能夠有效保護(hù)系統(tǒng)免受損壞。

2.3 寬電源范圍

支持1.62V至5.5V的寬電源范圍，使得TMUX13xxA - Q1能夠適應(yīng)不同的電源系統(tǒng)，提高了產(chǎn)品的通用性和靈活性。無(wú)論是低電壓的傳感器電路還是高電壓的執(zhí)行器控制電路，都可以使用這兩款多路復(fù)用器。

2.4 快速建立時(shí)間和低導(dǎo)通電容

快速建立時(shí)間確保了信號(hào)能夠迅速穩(wěn)定，減少了信號(hào)傳輸?shù)难舆t，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。低導(dǎo)通電容則降低了信號(hào)的損耗和失真，保證了信號(hào)的質(zhì)量。

2.5 雙向信號(hào)路徑和軌到軌操作

雙向信號(hào)路徑允許信號(hào)在源和漏之間雙向傳輸，使得TMUX13xxA - Q1既可以作為多路復(fù)用器使用，也可以作為解復(fù)用器使用。軌到軌操作則保證了信號(hào)在整個(gè)電源電壓范圍內(nèi)都能正常傳輸，提高了信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。

2.6 1.8V邏輯兼容和故障安全邏輯

1.8V邏輯兼容輸入允許多路復(fù)用器與具有較低邏輯I/O電壓的處理器接口，無(wú)需外部電壓轉(zhuǎn)換器，節(jié)省了空間和物料清單成本。故障安全邏輯則允許在電源引腳施加電壓之前在控制引腳上施加電壓，保護(hù)設(shè)備免受潛在損壞，同時(shí)減少了系統(tǒng)復(fù)雜度。

2.7 先斷后通切換和短路到電池保護(hù)

先斷后通切換功能避免了在切換過(guò)程中出現(xiàn)兩個(gè)輸入同時(shí)連接的情況，保證了信號(hào)切換的安全性和穩(wěn)定性。短路到電池保護(hù)則為開啟和關(guān)閉通道提供了額外的保護(hù)，防止因短路故障導(dǎo)致設(shè)備損壞。

2.8 功能安全能力

該系列產(chǎn)品具備功能安全能力，并提供相關(guān)文檔以輔助功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)，滿足了汽車電子系統(tǒng)對(duì)安全性的嚴(yán)格要求。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 模擬和數(shù)字信號(hào)復(fù)用與解復(fù)用

在汽車電子系統(tǒng)中，需要對(duì)多個(gè)模擬和數(shù)字信號(hào)進(jìn)行復(fù)用和解復(fù)用處理，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效傳輸和處理。TMUX13xxA - Q1可以將多個(gè)輸入信號(hào)切換到一個(gè)輸出端，或者將一個(gè)輸入信號(hào)分配到多個(gè)輸出端，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的復(fù)用和解復(fù)用功能。

3.2 診斷和監(jiān)測(cè)

用于汽車電子系統(tǒng)的診斷和監(jiān)測(cè)功能，例如監(jiān)測(cè)電池管理系統(tǒng)（BMS）中的多個(gè)電池電壓、監(jiān)測(cè)車身控制模塊（BCM）中的各種傳感器信號(hào)等。通過(guò)多路復(fù)用器，可以減少微控制器的GPIO或ADC輸入數(shù)量，降低系統(tǒng)成本。

3.3 區(qū)域架構(gòu)和車身控制模塊

在汽車的區(qū)域架構(gòu)和車身控制模塊中，需要對(duì)大量的輸入信號(hào)進(jìn)行處理和控制，如照明、門鎖、車窗、雨刮器、轉(zhuǎn)向燈等。TMUX13xxA - Q1可以有效地對(duì)這些輸入信號(hào)進(jìn)行復(fù)用，減少系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

3.4 電池管理系統(tǒng)（BMS）

在BMS中，需要對(duì)多個(gè)電池單元的電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。多路復(fù)用器可以將多個(gè)電池單元的信號(hào)依次切換到測(cè)量電路中，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)電池單元的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.5 其他應(yīng)用

還可應(yīng)用于HVAC控制模塊、汽車主機(jī)、遠(yuǎn)程信息處理、車載（OBC）和無(wú)線充電等領(lǐng)域。

四、典型應(yīng)用案例 - 車身控制模塊（BCM）信號(hào)復(fù)用

4.1 設(shè)計(jì)要求

以一個(gè)典型的BCM信號(hào)復(fù)用應(yīng)用為例，設(shè)計(jì)要求如下：

• 電源電壓（VDD）：5.0V
• I/O信號(hào)范圍：0V至VDD（軌到軌）
• 控制邏輯閾值：1.8V兼容
• 開關(guān)輸入：八個(gè)

4.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程

• 注入電流控制：TMUX1308A - Q1的內(nèi)部注入電流控制功能消除了外部保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的需求。在汽車系統(tǒng)中，長(zhǎng)電纜可能會(huì)引入感應(yīng)電流，而BCM中的濕電流也可能導(dǎo)致注入電流。如果沒(méi)有注入電流控制，注入到禁用信號(hào)路徑的電流可能會(huì)影響啟用信號(hào)路徑的測(cè)量輸出，導(dǎo)致誤觸發(fā)事件和測(cè)量讀數(shù)錯(cuò)誤。
• 濕電流處理：BCM使用12V電池電壓為每個(gè)開關(guān)提供濕電流，以防止金屬開關(guān)觸點(diǎn)或電線氧化。在多路復(fù)用器輸入之前，使用20kΩ和15kΩ電阻形成分壓器，以確保開關(guān)信號(hào)路徑的電壓低于VDD。20kΩ的串聯(lián)電阻還可以在過(guò)壓事件發(fā)生時(shí)限制注入開關(guān)的電流量。
• 二極管和電容的作用：二極管D1至D8用于防止電流回流，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。10nF電容用于系統(tǒng)的初始ESD保護(hù)，其大小應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)級(jí)要求進(jìn)行調(diào)整。
• 邏輯地址控制：邏輯地址引腳由微控制器控制，以循環(huán)切換系統(tǒng)中的八個(gè)開關(guān)輸入。如果希望設(shè)備的上電狀態(tài)為禁用，則使能引腳應(yīng)使用弱上拉電阻，并由微控制器通過(guò)GPIO進(jìn)行控制。

4.3 短路到電池保護(hù)

在汽車應(yīng)用中，短路到電池是一種常見的故障情況，因此評(píng)估多路復(fù)用器在短路到電池條件下的性能非常重要。以5V電源電壓為例，分別對(duì)不同的短路到電池場(chǎng)景進(jìn)行了測(cè)試：

• 單通道短路：當(dāng)通道S7被選中，通道S0發(fā)生短路到電池情況時(shí)，根據(jù)不同的電池電壓（VBAT），需要選擇合適的限流電阻（RLIM），以確保通過(guò)開關(guān)的電流不超過(guò)規(guī)定值（如25mA），并使輸出電壓變化（?VOUT）盡可能小。
• 多通道短路：當(dāng)所有未選中的通道同時(shí)發(fā)生短路到電池情況時(shí)，需要進(jìn)一步降低允許的電流值（如12.5mA），并相應(yīng)調(diào)整限流電阻的值。

五、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 電源供應(yīng)

TMUX1308A - Q1和TMUX1309A - Q1可在1.62V至5.5V的寬電源范圍內(nèi)工作，但不要超過(guò)絕對(duì)最大額定值。為了提高噪聲容限和防止開關(guān)噪聲從VDD電源傳播到其他組件，建議使用0.1μF至10μF的電源去耦電容，并將其盡可能靠近設(shè)備的電源引腳放置。同時(shí)，應(yīng)選擇低等效串聯(lián)電阻（ESR）和電感（ESL）的多層陶瓷片式電容器（MLCC）。

5.2 布局設(shè)計(jì)

• PCB布線：高速信號(hào)應(yīng)盡量減少過(guò)孔和拐角，以減少信號(hào)反射和阻抗變化。當(dāng)需要使用過(guò)孔時(shí)，應(yīng)增加其周圍的間隙大小，以最小化電容。
• 電源和接地：電源引腳（VDD）應(yīng)使用0.1μF電容進(jìn)行去耦，并靠近引腳放置。同時(shí)，應(yīng)使用實(shí)心接地平面來(lái)減少電磁干擾（EMI）噪聲拾取。
• 模擬和數(shù)字信號(hào)分離：敏感的模擬跡線不應(yīng)與數(shù)字跡線并行運(yùn)行，盡可能避免數(shù)字和模擬跡線交叉，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行垂直交叉。

總結(jié)

TMUX1308A - Q1和TMUX1309A - Q1汽車級(jí)多路復(fù)用器憑借其豐富的特性和卓越的性能，為汽車電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)環(huán)境，合理選擇產(chǎn)品型號(hào)，并注意電源供應(yīng)、布局設(shè)計(jì)等關(guān)鍵要點(diǎn)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用這類多路復(fù)用器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。