分散式與集中式汽車電子控制設(shè)計優(yōu)勢分析

借助應(yīng)用特定的 IC 簡化車門電子系統(tǒng)設(shè)計

作者：Steven Keeping/Digi-Key

到 2030 年，電子系統(tǒng)將占一輛汽車成本的 50%，其中電子產(chǎn)品的增長領(lǐng)域之一就是車門。車門電子系統(tǒng)設(shè)計是一項挑戰(zhàn)；每個車門都需要控制器、控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò) （CAN），或者連接至其余車輛系統(tǒng)的本地互連網(wǎng)絡(luò) （LIN）收發(fā)器，以及多個電機驅(qū)動器和穩(wěn)壓器。在設(shè)計導(dǎo)入時，這些器件和網(wǎng)絡(luò)可能會變得復(fù)雜、昂貴、笨重且耗時，因此設(shè)計人員正在尋找簡化應(yīng)用和物料清單（BOM）的方法。

應(yīng)用特定的標準產(chǎn)品（ASSP）能專門針對汽車應(yīng)用而設(shè)計，可減輕設(shè)計人員的工作。此外，這些解決方案使設(shè)計人員可以根據(jù)設(shè)計的復(fù)雜性和成本限制，采用集中式或分散式方法來設(shè)計車門電子系統(tǒng)。

本文介紹了聯(lián)網(wǎng)車門電子系統(tǒng)的發(fā)展，并闡述了集中式和分散式方法各自的優(yōu)缺點。然后，本文將探討如何使用 ASSP 來簡化集中式設(shè)計中的單個車身控制單元（BCU）的設(shè)計，或分散式設(shè)計中每個車門的各個 BCU 的設(shè)計。本文還將討論如何通過 CAN 和 LIN 解決方案將這些方法集成到汽車的車載網(wǎng)絡(luò) （IVN）中。我們將以來自 ON Semiconductor 的解決方案為例。

汽車電子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)功能的發(fā)展

隨著 70 年代燃油噴射裝置開始取代化油器，汽車電子系統(tǒng)開始需要發(fā)動機控制單元（ECU）來管理燃油噴射裝置。從那時起，電子系統(tǒng)迅速激增?，F(xiàn)在，高檔汽車在四個關(guān)鍵領(lǐng)域擁有全面的電子系統(tǒng)：

動力總成（發(fā)動機控制、變速器控制、起動器/交流發(fā)電機）

車身和舒適性（照明、空調(diào)系統(tǒng)、座椅和車門、遙控?zé)o鑰匙進入）

安全性（ABS、轉(zhuǎn)向助力、安全氣囊、駕駛輔助）

信息娛樂（導(dǎo)航、音頻、多媒體、蜂窩連接、藍牙、遠程信息處理、儀表盤）

這些系統(tǒng)全都使用專用的計算模塊，各個模塊通過基于 CAN 和/或 LIN 技術(shù)的 IVN 鏈接。

CAN 是一種車輛總線標準，旨在允許計算模塊和傳感器/執(zhí)行器進行通信，而無需主機。該標準會對連接進行優(yōu)先級排序，從而在多個設(shè)備同時傳輸?shù)那闆r下，優(yōu)先處理最重要的設(shè)備以避免爭用問題，并確保關(guān)鍵功能不會延遲。CAN 太過昂貴，無法用于連接車輛中每個電子元器件，因此通常搭配使用 LIN，以將所有器件添加至 IVN。為了實現(xiàn)通常與乘客舒適性相關(guān)的非時間關(guān)鍵功能，LIN 會使用復(fù)雜性和成本更低的串行鏈接技術(shù)。

本文重點介紹與車門相關(guān)的電子系統(tǒng)。像汽車的其他部分一樣，為了方便駕駛員，車門使用的電子設(shè)備也越來越多。

大多數(shù)現(xiàn)代汽車都有電子控制的車窗、門鎖和后視鏡，最近還引入了防夾傷等功能。豪華車則配有外后視鏡除霜功能、外后視鏡鑲嵌轉(zhuǎn)向燈和迎賓燈。下一代高端車型將包括電致變色后視鏡控制功能，可根據(jù)其他車輛的車燈亮度使側(cè)后視鏡變暗。

分散式與集中式汽車電子控制

車門電子系統(tǒng)的集中式拓撲結(jié)構(gòu)是當(dāng)前最常用的方法，尤其對于車門功能有限的低成本汽車。BCU 是一個由 INV 系統(tǒng)、微處理器、執(zhí)行器驅(qū)動器和分立元器件組成的模塊，通過載電線以及單獨的 CAN 或 LIN 通信接線與每個車門中的執(zhí)行器相連。這種方法的主要優(yōu)點是成本（僅需要一個 BCU）和可擴展性（圖 1）。

圖 1：集中式車門電子系統(tǒng)通過使用單個 BCU 節(jié)省成本。（圖片來源：ON Semiconductor）

但是，集中式拓撲結(jié)構(gòu)在高檔車中逐漸失寵，因為它們對功能的要求更高，而這又需要更多的布線。結(jié)果，線束變得笨重、復(fù)雜且昂貴。

另一種選擇是分散式方法，即每個車門配備自己的 BCU。在這種實現(xiàn)方式中，大多數(shù)布線都在局部，只需為 BCU 提供一個電源（然后 BCU 從局部將電源分配給各車門執(zhí)行器），并通過 CAN 和/或 LIN 連接延伸到車輛的其余部分。主要優(yōu)點是線束的重量、復(fù)雜性和成本大幅降低，并且 BCU 的設(shè)計靈活性使其能夠適配特殊車門。例如，前門 BCU 需要附加功能，才能協(xié)助外后視鏡工作（圖 2）。

圖 2：分散式系統(tǒng)減少了線束的重量并降低復(fù)雜性。（圖片來源：ON Semiconductor）

盡管分散式拓撲結(jié)構(gòu)越來越流行，但也并不表示集中式方法會退出市場失。要選擇哪種設(shè)計方法，這在很大程度上取決于成本與線束復(fù)雜度之間的權(quán)衡。

供應(yīng)商提供的解決方案可簡化分散式或集中式解決方案的設(shè)計。例如，ON Semiconductor 提供各種用于車門電子系統(tǒng)的 ASIC、ASSP 和分立元器件；然后，設(shè)計人員可以自由選擇自己喜歡的微控制器（圖 3）。

圖 3：ON Semiconductor 提供了一系列用于分散式和集中式 BCU 的 ASIC、ASSP 和分立解決方案，讓設(shè)計人員可以自由選擇自己喜歡的微控制器。（圖片來源：ON Semiconductor）

車載網(wǎng)絡(luò)

無論設(shè)計人員選擇分散式還是集中式車門電子控制系統(tǒng)設(shè)計，他們都需要確保將 BCU 集成到 IVN 中。通過將 CAN 控制器與 CAN 收發(fā)器配對，可以形成控制器與物理總線之間的接口，從而簡化 CAN 連接。ON Semiconductor 的 NCV7341D21R2G 就是其中一款適用于汽車應(yīng)用的 CAN 收發(fā)器示例。這是一款速度高達 1 Mbit/s 的 CAN 器件。該芯片配備差分接收器，具有高共模范圍，可在苛刻的汽車環(huán)境中提供良好的電磁抗擾度（EMI）。此外，該芯片的總線引腳還具有電壓瞬變保護功能，以免因電壓瞬變而擾亂汽車電氣系統(tǒng)（圖 4）。

圖 4：配備 5 V CAN 控制器的 NCV7341D21R2G CAN 收發(fā)器典型應(yīng)用原理圖。無論對于分散式還是集中式車門系統(tǒng)，該收發(fā)器都是連接到 IVN 的理想選擇。（圖片來源：ON Semiconductor）

分散式系統(tǒng)不僅需要 CAN 連接到 IVN，而且需要前后 BCU 之間的 LIN 連接，如圖 2 所示。前門 BCU 連接到 CAN，但為節(jié)省成本和布線，后門 BCU 通過 LIN 以菊花鏈方式連接至前門 BCU。LIN 的特點是單線連接至每個節(jié)點，從而簡化布線并降低成本。盡管吞吐量限制為最大 20 kb/s，但這足以控制門鎖、車窗和外后視鏡等設(shè)備。

對于車門安裝電子設(shè)備的 LIN 連接，ON Semiconductor 的 NCV7321D12R2G LIN 收發(fā)器是理想的選擇。該芯片包含 LIN 發(fā)射器、LIN 接收器、上電復(fù)位（POR）電路、熱關(guān)斷和四種工作模式（未通電、待機、正常和睡眠）。這些模式由供電電壓（VBB，5 至 27 V）、輸入信號使能（EN）和 WAKE，以及 LIN 總線上的活動來確定。該收發(fā)器經(jīng)過優(yōu)化，可實現(xiàn)最大吞吐量，并且由于 LIN 輸出的低壓擺率，具有良好的 EMI 特性。

LIN 拓撲使用單個主節(jié)點來控制一系列多達 16 個從節(jié)點。在分散式系統(tǒng)中，前門和后門 BCU 包含一個主節(jié)點，而諸如車窗控制面板等外設(shè)包含從節(jié)點，請參見圖 2。主節(jié)點將 LIN 收發(fā)器與合適的微控制器配對（圖 5）。

圖 5：主節(jié)點配置中 NCV7321D12R2G LIN 收發(fā)器的典型應(yīng)用原理圖。每個主節(jié)點可控制多達 16 個從節(jié)點。（圖片來源：ON Semiconductor）

車門執(zhí)行器驅(qū)動器

對于分散式或集中式拓撲，BCU 的其他關(guān)鍵元器件是執(zhí)行器驅(qū)動器。驅(qū)動器是為門鎖、后視鏡、車窗和其他系統(tǒng)提供動力的必需器件。ON Semiconductor 提供了一款三重半橋驅(qū)動器 NCV7703CD2R2G，其專門設(shè)計用于這些汽車和工業(yè)運動控制應(yīng)用。這三個半橋驅(qū)動器可通過標準串行外設(shè)接口（SPI）進行獨立控制，并提供 500 mA 的典型輸出和 1.1 A 的最大輸出。該芯片的供電電壓為 3.15 至 5.25 V，負載電壓為 5.5 至 40 V。

一個關(guān)鍵的設(shè)計限制是最高芯片溫度。芯片溫度不能超過 150°C，即使這會限制該器件的三個驅(qū)動器可同時使用的數(shù)量。

輸出驅(qū)動控制（和故障報告）通過 SPI 端口進行處理。EN 功能提供了器件不使用時的低靜態(tài)電流休眠模式，并且 EN、SI 和 SCLK 輸入上提供有下拉電阻，以確保它們在輸入信號中斷時默認處于低功耗狀態(tài)。

圖 6 顯示了如何在外后視鏡調(diào)節(jié)系統(tǒng)中使用 NCV7703CD2R2G 三重半橋驅(qū)動器。在這種布置中，來自三個半橋驅(qū)動器的輸出為兩個電機提供動力，以在 X 和 Y 方向上移動后視鏡。

圖 6：此框圖顯示外后視鏡調(diào)節(jié)應(yīng)用中 ON Semiconductor 的 NCV7703CD2R2G 三重半橋驅(qū)動器，其中說明來自三個半橋驅(qū)動器的輸出如何為兩個電機提供動力，以在 X 和 Y 方向上移動后視鏡。（圖片來源：ON Semiconductor）

單個微處理器可用于控制多個 NCV7703CD2R2G 三重半橋驅(qū)動器，從而減少了車門電子系統(tǒng)的 BOM。要達到此目的，最有效的方法是使驅(qū)動器與每個采用多路復(fù)用控制的設(shè)備并行操作。

在串行配置中，串行串中最后一個器件的編程信息必須首先通過所有先前的器件。并行控制拓撲消除了這一要求，但代價是將處理器選擇范圍縮小為：器件具有對應(yīng)于每個驅(qū)動器的片選（CSB）引腳。然后，串行數(shù)據(jù)僅由通過其各自的 CSB 引腳激活的器件識別（圖 7）。

圖 7：通過使用單個微處理器控制多個三重半橋驅(qū)動器，可以降低車門電子系統(tǒng)的 BOM 成本。（圖片來源：ON Semiconductor）

NCV7703CD2R2G 三重半橋驅(qū)動器需要在電源輸入端進行 5 V 調(diào)壓，以實現(xiàn)內(nèi)部操作。ON Semiconductor 的 NCV8518BPWR2G 線性穩(wěn)壓器是滿足此要求的理想選擇。該芯片具有 5 V 固定輸出，可在 ±2% 的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。該器件適用于所有汽車環(huán)境，典型的低壓差為 425 mV，低靜態(tài)電流為 100 μA。安全功能包括熱關(guān)斷、短路保護，以及能夠承受高達 45 V 瞬態(tài)電壓。該線性穩(wěn)壓器還可用于為 BCU 的微處理器供電（圖 8）。

圖 8：NCV8518BPWR2G 線性穩(wěn)壓器非常適合為 BCU 上的執(zhí)行器驅(qū)動器和微處理器提供 5 V 輸出。（圖片來源：ON Semiconductor）

對于要求成本更低的車門電子系統(tǒng)零件，另一種線性穩(wěn)壓器選擇是 NCV8184DR2G。該芯片可提供 -3.0 至 45 V 之間的可調(diào)緩沖輸出電壓，并且會緊跟（±3.0 mV）基準輸入。工作電壓為 4.0 至 42 V。

NCV8184DR2G 的一個很有用功能是，在常規(guī)配置中，它可以承受汽車電池短路的影響而不會損壞（圖 9）。當(dāng)由較低電壓的隔離電源供電時，該芯片同樣可承受電池短路。

圖 9：NCV8184DR2G 是低成本 BCU 電壓調(diào)節(jié)選擇，可以承受汽車電池短路。（圖片來源：ON Semiconductor）

分立元器件

除了用于 IVN、執(zhí)行器驅(qū)動器和電壓調(diào)節(jié)的單片器件外，ON Semiconductor 還提供一系列用于車門電子系統(tǒng)的分立元器件，例如汽車級齊納二極管。這些器件提供瞬態(tài)電壓抑制（TVS）功能，可防止 BCU 中的敏感硅元件因雷擊和靜電放電（ESD）等外部因素引起的電壓尖峰而受損。（有關(guān)汽車電子系統(tǒng)保護的更多信息，請參見 Digi-Key 文庫文章《設(shè)計導(dǎo)入 TVS 二極管保護提升了 CAN 總線可靠性》。）

齊納二極管的第二個應(yīng)用是與電阻器和 MOSFET 相結(jié)合，構(gòu)成廉價、緊湊型線性穩(wěn)壓器的基礎(chǔ)。線性穩(wěn)壓器可以由分立元器件組裝而成，用于調(diào)節(jié)來自汽車電池的供電電壓，以便為執(zhí)行器前級驅(qū)動器和驅(qū)動器供電（圖 10）。汽車電池可提供約 14 V 的電壓，而 NCV7703CD2R2G 三重半橋驅(qū)動器的供電電壓（VS）可介于 5.5 V 和 40 V 之間。當(dāng)汽車電池輸出的電壓發(fā)生變化時，這種簡單而廉價的齊納二極管線性穩(wěn)壓器可為車門電子系統(tǒng)保持穩(wěn)定的電壓。

圖 10：車門電子系統(tǒng) BCU 的一部分顯示了由分立元器件組裝而成的線性穩(wěn)壓器（突出顯示）。該器件將汽車電池電壓（Vbat）調(diào)節(jié)為執(zhí)行器電橋所需的供電電壓（VS）。（圖片來源：ON Semiconductor）

此應(yīng)用的合適齊納二極管是 ON Semiconductor 的 SZBZX84C5V1LT3G。這是以緊湊型 SOT-23 封裝提供的汽車（AEC-Q101）級齊納二極管。這些器件可在最小空間要求的情況下提供電壓調(diào)節(jié)功能。該齊納二極管的最大功耗為 250 mW，齊納擊穿電壓能力范圍為 2.4 至 75 V，具體取決于所選的元器件。

完整的穩(wěn)壓器需要一個電阻來限制流過齊納二極管的電流。為了進行調(diào)節(jié)，選擇的電阻應(yīng)允許足夠的電流流向負載和齊納，但又不能太多。該齊納穩(wěn)壓器具有高源阻抗，因為所有負載電流都必須流過限流電阻，從而限制了穩(wěn)壓器可以提供給負載的電流量。通過使用源極跟隨器（如圖 10 中所示的 MOSFET）來緩沖齊納二極管的輸出，可以克服此限制。