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当代汽车中的供电线连接

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作者:时间:2005-07-01来源:

当代高级机动车,为了追求高性能,低油耗,低幅射,提高舒适性、方便性和安全性,需要配备大量的电子装置。每种新型车辆系统或电气功能的出现都伴随着连接性的增加。新兴的信息通信和驱动器信息系统领域更要整合多种技术来增强机动车安全性,通信功能、方便性以及娱乐性。这些技术涉及动态导航、无线连接/因特网接入、语音处理、汽车收音机、虚拟仪表面板、防撞系统以及其它等等。通过这些电子装置,机动车与车内系统、其它机动车,驱动器和扩充通信网络相互作用,并支持多种车内应用。毫无疑问,这些系统也需要一种汽车专用的供电方案。
汽车总线
机动车复杂电子装置的先驱是引擎控制系统。它经过扩充后目前称为动力链(Power-Train)系统,其中包含了传输控制和高级车内诊断功能。车用动力链总线既要高速度,又要具有经济实用的数据传输能力。
如表1所示,SAE最初定义了低、中、高速三类数据通信机动车网络。控制器局域网(CAN)和SAE J-1850一直占据着主流地位,但也不是唯一的总线体系结构。
SAE J-1850包含了最初由全部三家美国汽车制造商开发的各种版本。CAN是一种串行、异步、多主通信协议,用来连接汽车和工业应用的电子控制模块。CAN是为需要高级数据整合和高达1Mbps数据率汽车应用设计的。
CAN具有低、高速两种实施方案,使用不同电压在一对导线上进行通信,通常称为高速物理层和低速物理层。当两根导线中一根因短路或一路发生故障时,低速体系结构变为单线工作体系结构(所谓离线地)。由于电路需要具备这一功能的缘故,这种体系结构在超过125Kbps总线速率时,其实实施成本是十分昂贵的。因此,125Kbps是高速与低速CAN的分界线。图1表示CAN支持其它车用网络的连接方法。
对某些机动车应用,如车体电子系统中的马达控制,甚至可以使用更低的总线。本地互连网(LIN)是一种UART基、单主、多从网络体系结构,原是为汽车传感器和执行器网络应用开发的。LIN为连接车内马达、开关、传感器和车灯提供了一种廉价的网络备选方案。LIN主节点连接LIN网络和高级网络(如CAN),将网络的作用一直延伸到每个传感器和执行器(表2)。
在配备齐全时,导线驱动的系统需要大量的功率。术语“用导线(by-wire)”表示控制系统已完全取消了机械或液力连接,而在控制单元之间采用电子连接驱动电机执行器。用导线驱动包括导线调节,用导线刹车,用导线变速以及用导线驾驶,特别是对自动停车系统。
为了实现这类高功率控制系统,需要一种容错的,时间触发的体系结构。目前,在这个领域争夺领导地位的有三种协议。Flex Ray采用光纤,当然也能在铜线上工作,数据传输速率达10Mbps。另一类是TTP(时间触发协议)使用铜线,数据率仅2Mbps,但Vienna大学的研究人员正在开展使用光纤的探索。第三种协议TT-CAN,既支持“时间触发”应用,也支持“事件触发”应用。
汽车多媒体接口联盟,或AMI-C,正在制订移动信息和娱乐系统多媒体标准。AMI-C的主要工作集中在多目标信息和多媒体技术,想方设法解决Bluetooth、IEEE-1394和面向媒体系统传输(MOST)基车内网络的使用。Bluetooth为车辆环境提供无线连接;IEEEE-1394已在消费品环境中连接几种多媒体产品;MOST则是专为汽车视频和音频流数据开发的光媒体基协议。
对上面已讨论过的所有网络协议(除LIN外),要想实现全部系统功能需要功能更强的微处理器。
电源的特殊要求
在汽车应用中,多种电源电压和宽温度范围内电压精度亟需特殊的电源电路。两个突出的例子是物理层电源要求和高级微处理要求的多种电压加电顺序。
简单的物理层器件未必能胜任某些汽车应用。例如,所有汽车模块要求使用稳压电源。有时,一个本地开关或传感器会将模块唤醒,以休眠状态进入有源工作状态。该开关或传感器是以车辆电池工作的。为了简化车辆中物理层应用的电源设计,已研制出专用的电源IC,如Motorola的系统偏压芯片(SBC)族。其中MC33389兼备汽车CAN连接的CAN物理层功能和稳压器功能,内置独立的看门狗定时器和本地唤醒电路,以最少元件求得最大的灵活性(图2)。在一个封装内组合这些功能需要先进的混合信号半导体工艺,如Motorola的SmARTMOSTM工艺。集成化设计降低了组装成本,提高了可靠性,还增加了设计的灵活性。
MC33389将低速容错CAN收发器和双低压降稳压器组合在一起,稳压器分别具有100mA和200mA的电流负载能力。IC还设有限流器和预报警的过温检测器,以及5V输出电压V1稳压器,V1自带监测电路和复位功能。
IC提供脱离CAN接口工作模式的三种工作模式(正常、备用和休眠),并能访问低速125K波特率容错CAN接口。芯片的直流工作电压高达27V,并能承爱40V最大瞬时电压。此外,IC可在汽车极限应用的-40℃~125℃温度范围内工作。
加电顺序
在先进VLSI逻辑件中的高速逻辑芯核设计在低压(3.3V或2.6V)工作,而I/O接口用电源通常是5V。双电源MPU的加电顺序通常是预先规定的。用于此目的和旨在专用MPU设计的电源IC能保证正确的顺序。
用于先进MPU电源的时间和电压指标既会影响加电,也会影响断电。倘若超过设计指标,由于电流进入芯片内的隔离结构,因而在器件的I/O端口与芯核之间会出现过大的电压应力和闭锁状态。不管出现哪种情况,会立刻或稍后损坏器件,从而影响可靠性。既使MPU可设计成扩展工作,即其中一个电压允许低于正常的工作电压,加电顺序仍为增加可靠性提供了付加保险度。
动力链电源IC
对动力链应用,电源IC(如Motorola的MC33997和MC33998)为电子控制单元(ECU),提供一套完整的电源系统解决方案。这此芯片设计成能随恶劣的汽车环境-40℃~+125℃,而在6V~26.5V输入电源下工作,瞬时电压高达46V。MC33997和MC33998以其加电顺序、输出电压监测、管理功能和动力链应用的特殊保护功能,为Motorola MPU中的芯核和I/O提供所需的电压。这些器件还支持备用模式,电源外部传感器及其它功能。
图3是为双电压MPU设计的简化应用图。MC33997电路通过逐级降压开关电路将电池电压变换成5V。器件中一个使用外部通路晶体管的线性稳压器提供3.3V输出。该芯片还提供1个附加的3.3V输出和2个有内部保护、低RDS5V输出,分别供备用电路和传感器使用。MC33998是一个类似的器件,但提供2.6V输出而不是3.3V,供需要较低电压的MPU使用。两种芯片的开关稳压器是带集成高端P沟道功率MOSFET的高频(750KHz)降压变换器。
专用电源
多媒体和电信息通信中存在不同电压的需求。因此,对最新型的汽车应用,能产生其它电压的定制化IC应运而生。改进的定制化产品为汽车中的日益增加的连接性创造了条件,有助于生产厂家个性化它们的汽车产品。功能丰富的电源IC能简化最终产品的设计,提高汽车在恶劣环境中生存的耐用性。
表1、车用控制总线的分类
表2、LIN与CAN的比较
表3、导线驱动系统时间触发协议
图1、汽车系统是由几种车用网络连接的。
图2、内置集成电压稳压器的CAN收发器
图3、MC33997电源IC

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/7135.htm


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