车身电子系统的控制电源设计

车身控制模块(BCM)是汽车内最重要的模块之一。BCM被用来控制不需专用控制器的常用“车身”功能，包括车窗、车镜、车门锁和车灯控制，以及接收发自车钥匙和胎压监测器信息的RF接收器等功能。为设计一个可靠、具成本效益的系统，需要把握设计的两个主要部分——控制和电源。那么，如何才能保证控制和电源两个部分能在整个系统内最好地配合工作呢？在为控制和电源部分选择器件时，需要注意哪些问题呢？随着对更多功能及更高可靠性的需求持续增长，汽车电子的种类和复杂性也在迅速增加。汽车内有许多种电子子系统，比如底盘电子、驾驶员信息电子和车身电子。车身电子子系统提供座椅调节、车内照明和雨刷等功能。智能化设计使得车身控制模块(BCM)能更有效、可靠地驱动负载。
BCM是汽车内最重要的模块之一。BCM被用来控制不需专用控制器的常用“车身”功能，包括车窗、车镜、车门锁和车灯控制，以及接收发自车钥匙和胎压监测器信息的RF接收器等功能。此外，BCM还具有通过网络总线在不同模块间传输数据的网关作用。因为BCM连接多个汽车总线，所以它是为汽车增加新功能的理想平台。当汽车电子设计工程师想为汽车添加新的功能，但又没有太多时间、空间或预算来增加新模块时，他们常可通过为BCM编写新软件并借助其连网能力来实现这些功能。
显然，对BCM的需求因车而异，但一个应用趋势是开发一种可覆盖多种车型的单一模块，以便汽车制造厂降低开发和维护成本。对每种车型只需进行一些配置工作，就可在多个汽车平台上更迅速地部署该模块，从而缩短产品整体上市时间。
BCM的工作可大致分为两部分：控制部分，包括MCU、传感器输入和车内网络；电源部分，包括可提供大功率信号以驱动各种负载的功率器件。设计电源部分时需了解用于车身电子的各种负载特性。例如，LED因其低功耗、优异的鲁棒和可靠性，所以正迅速取代白炽灯。电子马达也用于实现升降车窗、改变座椅位置及调整车镜等机械功能。阻性元件则被用在座椅加热及后车窗除霜应用中。
将控制和电源电路整合到一个模块需要解决一些挑战。当BCM设计人员开始新设计时，他们必须考虑控制和电源部分的全部可能的器件选择，然后，在考虑了所有设计因素的情况下，决定如何将两者结合起来以最好地满足需求。设计人员在选择合适的器件组合时，必须考虑的设计因素主要有：功耗预算、散热、鲁棒性以及成本。例如，电源部分传统上一般只采用功率继电器，但最近的设计已显现出向固态方案转变的迹象。固态电子可提供更鲁棒的方案，以降低总体成本。此外，通过将这些固态器件与智能数字控制器结合起来，设计人员可实现以前不可能完成的诊断和故障防范保护功能。最终，设计人员的目标是生成一种具有成本效益、能完全满足应用需要并具有高可靠性以符合严苛汽车标准的BCM。
图1是基于NEC电子的32位MCUV850ES/Fx3的BCM原理框图，它给出了模块与传感器输、电源部分的连接。采用MCU的好处是能将控制问题分给硬件外设和软件算法来解决。与用硬件实现控制的方法相比，这种模块设计方法具有更多的灵活性。此外，采用MCU还能在系统内进行诊断(甚至实施自诊断)，从而使系统更鲁棒。

图1：基于32位MCU V850ES/Fx3的车身控制模块原理框图。

在实现车身模块的控制部分时，最关键的决策是选用一款带合适外设、可满足应用对性能和成本预算要求的MCU，比如NEC电子的V850ES/Fx3MCU等方案。V850ES/Fx3基于V85032位CPU内核，并针对汽车车身应用进行了优化。V850内核是为嵌入式系统设计的，它具有高性能处理能力、快速中断响应速度及高效数据传输能力等实时性能。该内核还包括一款专用的、为每一个中断源配备独立向量的中断控制器，从而可以快速响应各种请求。片上直接存储器访问(DMA)单元可对存储器和系统总线进行访问，可在无需CPU干预情况下进行数据传输。
特别是，V850ES/Fx3MCU集成了多种车身模块特别需要的先进外设。例如，定时器对车身应用非常重要，它被用于调度任务、捕捉RF脉冲等外部信号，更重要的是它能生成控制车内LED等所需的脉宽调制(PWM)信号。V850ES/Fx3MCU就能提供多个具有可编程能力、可运行多种模式的定时器宏，它还能同步各定时器以增加PWM能力。为满足OEM对网络不断增加的需要，该MCU系列集成了5条控制器局域网(CAN)通道，每个通道具有独立的信息缓存器和无需CPU干预就可以滤除信息的屏蔽寄存器。针对低速的局域互连网(LIN)应用，V850ES/Fx3MCU支持8条LIN信道，并具有一个用硬件处理LIN协议的多LIN主控(MLM)单元，从而节省了CPU资源。该MCU具有多达40个模数转换通道来处理模拟信号，这些信道具有管脚诊断、自动放电及灵活的触发资源。