面向电动车窗/天窗应用的集成嵌入式功率半导体

            推动电动车窗电控单元采用高度集成解决方案的因素
　　如今，电动车窗已成为汽车标准功能之一。即使在成本至上的新兴市场，它也是影响购车者决定的最重要因素之一。多数购车者都将电动车窗视为必备的舒适功能，因此汽车厂商都将其作为一种基本功能。
　　当前车门正沿着模块化、轻型化方向发展，另一个发展趋势是加装侧安全气囊。随着车门结构发生变化，车门腰线的负载规格也相应提高，以实现出色的碰撞性能。性能的增强与添加安全气囊极大刺激了对小尺寸车门/电动车窗ECU（电控单元）的需求。更高的半导体集成度是管理防夹等复杂功能的关键，同时也满足了小型、轻量要求。
　　车窗防夹功能也适用于天窗模块，该模块和车窗共用相同的车窗举升机制。
ePower TLE7810G的优势
　　英飞凌提供的嵌入式功率（ePower）半导体TLE7810G主要应用于电动车窗，采用单一封装，内含兼容标准8051内核的8位微控制器，同时搭载片上调试支持和系统基础芯片（SBC）。SBC搭载符合LIN2.0/SAEJ2602标准的LIN收发器、低压降稳压器与两个低侧开关（继电器驱动器）和为外部霍尔传感器供电的电源，另外还提供高侧驱动器，用于驱动发光二极管。

图1 TLE7810G框图

　　此集成电路是采用PDSO-28封装的多芯片模块（MCM），经过专门设计，适用于严酷的汽车环境。
　　该8位微控制器具备16KB片上闪存，可处理多个控制任务，其中包括车窗防夹功能。自2008年10月起，美国境内生产的车辆必须具备此功能，很快将有多个国家效仿这种作法。目前，许多汽车厂商已在新款车内加装了此功能。
　　车窗升降器属于高电流装置，而目前的乘用车大部分仍采用继电器驱动电动车窗电机。为了满足这种情况，TLE7810G内嵌两个继电驱动器，控制驱动电动车窗电机的外部继电器。
　　此外，TLE7810G还集成了LDO（低压降）稳压器，负责为霍尔传感器供电。霍尔传感器通常安装在车窗防夹系统内，用于检测车窗的速度/扭矩和位置。
　　高度整合的单一封装大大降低了PCB占位空间，使其能够安装在更小（更便宜）的外壳内。同时，芯片的静态电流消耗极低，可满足现今电动车窗/车门模块的苛刻要求。
　　这类芯片还内嵌LIN收发器，以满足逐渐流行的分散式架构要求，即每个车窗由专门的ECU控制。通过连接LIN总线，可实现分散式模块方案，从而大幅减少布线数量和整体重量。

图 2 显示分散式车身控制架构

　　相对于微控制器、收发器、继电器驱动器和稳压器等各个分立式装置，这种高度集成解决方案另一个突出优势是节省芯片封装成本。对电动车窗ECU的一级供应商而言，采用高度集成的ePower解决方案，可获得因组件减少带来的更高可靠性、出类拔萃的库存管理和更高的生产组装效率。
　　TLE7810G还具备5个唤醒输入，LIN收发器可经受高达4kV的静电放电。
需要满足的主要技术要求
防夹与车窗位置存储处理
　　防夹是电动车窗的重要安全要求，必须保证在车辆发生故障情况下仍能正确运行，特别是在电动车窗升降时，遭遇电池故障或熄火状况，这点至关重要。为确保防夹功能正确运行，系统再次启动时，必须知道车窗的正确位置。因此，在电源关闭之前，系统必须在极端时间内存储最后的车窗位置。
　　通常情况下，防夹机制取决于车窗的位置。举例来说，如果车窗在完全打开后升起，只要侦测到防夹情况，车窗就会停止移动。但若车窗上升的空间少于250毫米，车窗必须停止并下降100毫米。为了让车窗正确关闭，当车窗上升的空间不足4毫米时，将不启动防夹侦测。
　　受到机械系统内能量的影响，从关闭电动车窗电机到车窗完全停止运动，需要50毫秒时间。在此期间，ePower必须监控霍尔传感器，并在电源关闭前存储车窗最后的位置信息。同时，在此期间，ECU将采用缓冲电容器供电。电容器的大小取决于桥接时间、电流消耗和应用的电压需求，这是系统开始关闭时的电压水平与低电压重置时的电压水平的差别。TLE7810G经过优化，具备3.3V的极低欠压重置阈值，因此可采用较小且便宜的缓冲电容器。
低静态电流消耗
　　即使在活动模式下，通常仍需将车窗稳压器ECU的电耗降低至几百微安。这是因为驾驶员关闭引擎时，车钥匙仍处于通电位置，电动车窗和防夹功能仍可运行，最好能尽量降低电流的消耗。
　　为实现这一点，应当定期唤醒控制器在活动模式下运行，但在较长时间内具备低功耗。利用TLE7810G的低功耗模式可实现这一点。TLE7810G的规格定义为：在省电模式下，停止循环唤醒的通信装置（SBC）与微控制器（MCU）装置。当微控制器处于省电模式时，消耗的电流最低。核心组件与外设均不运行。通过外部中断可唤醒微控制器（使用或不使用重置）。因此，SBC可定期生成这种内部“唤醒”信号，使微控制器能够返回活动模式，为其应用提供支持。总功耗约为：30uA + 80uA =110uA。关键特性是LIN或监控器管脚唤醒及其它定期唤醒功能，做到主动监控其它信号或输入。