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多开关侦测介面实现小型及高效设计整合功能
 

【作者: John Griffith】2018年01月19日 星期五

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作为汽车的电子控制装置,汽车车身控制模组(BCMS)可以控制与汽车舒适性、便利性和照明等相关的多种功能,包括门锁、车窗、警报声、关闭感测器、内饰和外饰照明、雨刷和方向灯。如图1所示,BCM可监控不同的驱动开关并根据相应的车内负载控制功率。



图1 : BCM原理图
图1 : BCM原理图

一款典型的BCM会包含一个处理汽车12V电池驱动器开关状态的微控制器。传统上采用电阻、电容和二极体等离散式被动零组件透过介面电路将讯号传送至微控制器。您必须细心保护微控制器以避免受到电池电压、静电放电(ESD)、瞬态和反向电池的影响。此外,您需要为偏压开关输入提供湿润电流(wetting currents),并确保开关接触点状态良好。


图2所示的实际案例阐述了如何处理外部接地开关输入。电容C2分流ESD和瞬态能量;二极体D1阻断高压;电阻R4设置开关处的湿润电流;电阻R4与R8共同分压;电阻R1通过R3电晶体Q1和Q2,电容C1以及通用的输入/输出(GPIO)针脚使用或禁用湿润电流。



图2 : 离散式湿润电流实作
图2 : 离散式湿润电流实作

该离散方法具备三个注意事项:


· 微控制器以及微控制器电源电压必须保持主动式,才能使湿润电流处於主动状态。这会严重影响模组在低功耗(切断)模式下消耗的电流最小值。


· 此解决方案需要大量的被动式零组件,如:用於制造湿润电流的电晶体和电阻,以及适用於每个开关输入的二极体,电阻和电容等将使得整体解决方案的尺寸变大。


· 湿润电流将随着电池电压变化;比如如果电池电压下降30%时,湿润电流也会下降30%。


多开关侦测介面(MSDI)是一种可处理各种问题的装置,可以汇集电池连接和接地连接的开关状态讯息,并通过序列周边设备介面(SPI)对微处理器平台进行通讯支援。


实现尺寸更小、空间利用率更高

MSDI装置整合了可调节的湿润电流,能够控制电池连接及接地连接的外部开关输入灌电流和拉电流。由於这些电流由内部设备监测控制,因此它们与大范围的电池输入电压保持一致。MSDI开关输入还专为处理负载突降和反向电池电压而设计,减少对离散阻断二极体和湿润电流零组件的需求,从而更多地节省电路板区域和成本。


如图2所示,离散的24通道解决方案使用了75个电阻,25个电容器,24个二极体和2个外部电晶体。相较之下,TI的TIC12400-Q1多开关侦测介面(MSDI)仅使用24个IO针脚电容器,5个去耦电容,用於中断输出的单个电阻以及单个的MSDI装置。


图3显示一对一比较了处理开关输入的离散湿润电流,反向阻断和ESD的解决方案尺寸与汽车多开关侦测介面叁考设计中利用到全部所需外部电路的TIC12400-Q1设备部分的尺寸。目前,具有MSDI叁考设计的两层电路板全方位解决方案的尺寸为17.5mmX18.8mm。



图3 : TIC12400-Q1解决方案尺寸
图3 : TIC12400-Q1解决方案尺寸

实现更高效率及更低功耗模式

如同上文所提及,为了监控低功耗模式下的外部开关,需要使微处理器保持通电状态且处於主动状态。这意味着微控制器平台的稳压器也必须随时保持主动状态,也使得低功耗模式下每个系统具备更高的静态电流。


MSDI装置直接使用汽车电池,而具备整合式低功耗轮询模式,使其能监控用户所选的开关接触,例如:TIC12400-Q1具有低功耗轮询模式与一个高压开漏中断输出针脚,可以使稳压器关注开关状态的变化。这意味着可以关闭模组中的其它电路,实现超低功耗睡眠模式,进而满足原厂设备制造商(OEM)对睡眠模式日渐严苛的要求。


图4显示TIC12400-Q1处於低功耗轮询模式时的示波器萤幕截图。通道1显示开路开关接触的电压,而通道2显示装置的电流消耗。



图4 : 具有开关监控功能的低功耗轮询模式
图4 : 具有开关监控功能的低功耗轮询模式

该装置在等待开关接触更改状态时可以启用湿润电流,监控输入电压并重复地返回至低功耗模式。由於模块中的所有其他电路被禁用,使得该模组的平均电流更低。


随着BCM的功能逐年增多,如具有内置的湿润电流,反向阻断和ESD保护MSDI等智能装置的附加功能,将帮助实现更小的开关接触监控解决方案。另外,由於低功耗模式对电流消耗的要求越来越高,内置低功耗轮询模式的TIC12400-Q1使每个系统功率节省高达98%。


(本文作者John Griffith任职於德州仪器)


*刊头图(source: thebalance.com)


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