BCM硬件設(shè)計的平臺化和半導(dǎo)體化

1. 前言

BCM是車身（包括24V商用車和12V乘用車）電子的重要內(nèi)容，BCM是Body Control Module的縮寫。主要任務(wù)之一是燈光控制，包括前燈、側(cè)燈、尾燈和室內(nèi)燈，以及控制一些加熱附件、雨刮繼電器等。另外可選的任務(wù)是包含網(wǎng)關(guān)功能，處理整車通訊信息。本文主要討論BCM系統(tǒng)的硬件設(shè)計，設(shè)計的原則是根據(jù)負(fù)載特性選擇不同的驅(qū)動方式，達(dá)到控制相關(guān)負(fù)載的目的。此外，本文對功率損耗分析、診斷等關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

2. 負(fù)載

負(fù)載是控制器的控制對象，在設(shè)計ECU之前，必須對控制對象的電氣特性有明確理解。了解電氣特性主要從負(fù)載類型和驅(qū)動類型兩方面考慮。

2.1 負(fù)載類型

負(fù)載是BCM模塊ECU的控制對象，主要有阻性、容性和感性負(fù)載三類，如圖1所示。

其中，需要說明的是阻性負(fù)載中除了具有加熱功能的電阻絲外，LED也屬于阻性負(fù)載。LED與傳統(tǒng)發(fā)光器件白熾燈不同， LED導(dǎo)通后，導(dǎo)通電壓和電流成線性關(guān)系，符合歐姆定律。由于LED本質(zhì)是二極管，在導(dǎo)通之前，LED呈高阻狀態(tài)，從全范圍來看LED是包含兩個電阻狀態(tài)的阻性負(fù)載。白熾燈和氙燈是容性負(fù)載，但是在物理意義上，其燈絲仍是金屬材質(zhì)，具有溫變電阻特性，表現(xiàn)為在低溫時電阻極小，高溫時電阻較大的特性，而白熾燈和氙燈在照明時溫度較高，此時的燈絲電阻為其額定工作電阻。（英飛凌igbt廠家）

2.1.1 容性負(fù)載白熾燈

白熾燈和氙燈啟動過程中，由于燈絲冷態(tài)電阻極低，表現(xiàn)出來的啟動電流極大，這個電流類似于初始電壓很小或者為零時的電容充電電流，也稱這個電流為浪涌電流（Inrush Current）。由于白熾燈和氙燈的啟動過程類似電容充電，所以被稱為容性負(fù)載，如圖2(a)、(b)所示 。 燈負(fù)載是BCM模塊的主要負(fù)載，常見的法規(guī)強(qiáng)制要求燈負(fù)載如表1所示。

2.1.2 阻性負(fù)載LED

LED即發(fā)光二極管（light emitting diode），是一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能的具有二極管特性的半導(dǎo)體光源。LED基本結(jié)構(gòu)為一塊電致發(fā)光的PN結(jié)，封裝在環(huán)氧樹脂中，通過針腳作為正負(fù)電極并起到支撐作用，有表貼和插件兩種封裝。發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)主要由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)組成。當(dāng)在電極上加上正向偏壓之后，使電子和空穴分別注入P區(qū)和N區(qū)，當(dāng)非平衡少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時，就會以輻射光子的形式將多余的能量轉(zhuǎn)化為光能。其發(fā)光過程包括三個部分：正向偏壓下的載流子注入、復(fù)合輻射和光能傳輸。圖3所示是典型的LED結(jié)構(gòu)圖。

LED發(fā)光顏色由材料決定，材料不一樣導(dǎo)致了不同的顏色。發(fā)光管發(fā)出白色是幾種顏色的混合，不能直接發(fā)出白光。理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Ｅg有關(guān)，即：λ≈1240/Eg(mm) 式中Eg的單位為電子伏特(eV)。若能產(chǎn)生可見光(波長在380nm紫光～780nm紅光)，半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.26～1.63eV之間。比紅光波長長的光為紅外光?，F(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍(lán)光發(fā)光二極管，但其中藍(lán)光二極管成本、價格很高，使用較少。LED的一個重要參數(shù)是正向?qū)妷篤F，這個值一般是定義在正向?qū)娏髟?0mA下。不同顏色LED的正向?qū)妷翰灰粯?，如圖4所示。表2總結(jié)了各種顏色LED的波長、正向電壓、材料和發(fā)光顏色間的關(guān)系。可以看出，波長越小，正向電壓越大。

實際應(yīng)用中，除了考慮如圖5所示LED的伏安特性曲線還需考慮溫度特性，以歐司朗某純綠光LED為例，最大正向電流在溫度大于70攝氏度時需要降額使用，這是由LED產(chǎn)品本身的熱阻和功耗決定的。另外，由于LED是光源，需要考慮其光電特性，其光通量與正向電流正相關(guān)，正向電流IF越大，光通量越大，另外光通量也受溫度影響，溫度越高，光通量越小，如圖6所示，圖中用相對光通量來表示光通量。

2.1.3 感性負(fù)載

感性負(fù)載中，雨刮電機(jī)、風(fēng)扇電機(jī)、電磁閥和繼電器是常見的負(fù)載，本質(zhì)上是不同感值的線圈繞組。值得指出的是，線束也具有感性負(fù)載特性，在電池拋負(fù)載即電池兩極和線束之間的連接突然丟失時，會在線束上產(chǎn)生一個電壓尖峰，這個尖峰的產(chǎn)生是由于線束的寄生電感引入的。線束的長度在汽車或者卡車應(yīng)用中不可以忽略不計，線速的等效電阻和寄生電感需要在ECU的設(shè)計中加以考慮。圖7所示為繼電器結(jié)構(gòu)圖，電磁閥的結(jié)構(gòu)稍微有差異，原理類似。繼電器更多的是控制電流的開和關(guān)，電磁閥的控制對象更多的是流體，如汽油，柴油等。對電磁閥而言，控制電路中的開關(guān)采用高邊驅(qū)動較多，如汽車安全系統(tǒng)中的ABS控制器中的各種電磁閥，而在車身系統(tǒng)中的繼電器由于驅(qū)動電流較小，多采用低邊驅(qū)動。感性負(fù)載驅(qū)動需要注意的是關(guān)斷時高邊會出現(xiàn)反向電壓，低邊會出現(xiàn)正向電壓，使得高低邊開關(guān)的兩端電應(yīng)力加大，在實際應(yīng)用中必須采取措施限制這個電壓應(yīng)力。圖7是高邊驅(qū)動感性負(fù)載的關(guān)斷示意圖。

在實際驅(qū)動繼電器或者電磁閥時，需要特別注意關(guān)斷瞬間的問題。由于感性元件具有儲能的作用，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電感線圈上會產(chǎn)生一個感應(yīng)電動勢，這個電動勢會使得電流保持原來的方向不變，即續(xù)流作用，對高邊負(fù)載來說，輸出端會產(chǎn)生一個對地負(fù)壓，如圖7所示。從而使得高邊MOS的源漏電壓Vds加大，如果這個電壓超過一定值會導(dǎo)致高邊功率器件擊穿。因此需要對這個電壓進(jìn)行鉗位，防止開關(guān)管過壓擊穿。英飛凌公司的智能高邊器件具有有源鉗位功能，鉗位后能確保源漏電壓Vds穩(wěn)定在安全電壓范圍內(nèi)。在鉗位過程中，開關(guān)管自身消耗掉感性負(fù)載的存儲能量，如果這個能量值對開關(guān)管而言是固定的，由開關(guān)管的熱特性決定，因此在匹配開關(guān)管和感性負(fù)載的時候需要考慮這個能量值是否匹配。具體由公式（1）決定：

假定電感等效電阻RL為零，可得簡化公式：

2.2 驅(qū)動類型

在BCM設(shè)計中涉及到許多負(fù)載，對應(yīng)不同的負(fù)載會采用不同的驅(qū)動類型，主要包括開關(guān)驅(qū)動和LED驅(qū)動兩類。

2.2.1 開關(guān)驅(qū)動

驅(qū)動類型主要是從驅(qū)動負(fù)載的電路拓?fù)浼右钥紤]，主要有高邊驅(qū)動、低邊驅(qū)動、半橋驅(qū)動和全橋驅(qū)動（包括兩相全橋和三相全橋）四種，如圖8所示。

這四種拓?fù)涑２捎瞄_關(guān)器件來實現(xiàn)，開關(guān)器件種類很多，其中常見的有機(jī)械開關(guān)和半導(dǎo)體開關(guān)兩種，出于能效和壽命方面的優(yōu)勢，目前半導(dǎo)體開關(guān)是BCM設(shè)計中的主流選擇。半導(dǎo)體開關(guān)中有三極管、MOSFET和IGBT等。在車身電子中，大多數(shù)負(fù)載采用帶保護(hù)和診斷的MOSFET來驅(qū)動。英飛凌作為全球第一大功率器件供應(yīng)商，為客戶提供了豐富的功率器件家族供選擇，如表3所示。

對于負(fù)載采用何種拓?fù)鋪眚?qū)動一般由OEM來決定，因為這和線束的設(shè)計有關(guān)，從功能上來說，有些負(fù)載比如阻性負(fù)載，既可以采用高邊驅(qū)動也可以采用低邊驅(qū)動，甚至半橋。另外對于電機(jī)來說，如果是單向運行采用半橋即可，雙向運行則需要使用全橋。值得指出的是由于高邊可以帶來線束上的節(jié)省，在整車中負(fù)載的驅(qū)動中越來越多地采用高邊驅(qū)動。

2.2.2 LED驅(qū)動

目前在汽車領(lǐng)域應(yīng)用中存在白熾燈和LED照明都存在的情況，基于平臺化設(shè)計的理念，需要兼容白熾燈和LED兩種負(fù)載。 從前文敘述可知，一般使用高邊開關(guān)來驅(qū)動白熾燈，也可以用高邊開關(guān)Profet來驅(qū)動LED，但是因為LED的驅(qū)動電流較小，需要選用導(dǎo)通電阻較大的功率管。這種直接采用限流電阻恒壓驅(qū)動的方式多針對LED電流較小的應(yīng)用，在LED電流較大時，電阻上消耗的功率較大，照明效率降低。此外，這種簡單恒壓驅(qū)動方式不能抑制電壓波動帶來的影響，容易造成LED的亮度變化，因此這種驅(qū)動方式對亮度比較敏感的應(yīng)用不適用。從LED伏安特性來看，正向電壓大于導(dǎo)通電壓VF之后，微小的電壓變化會導(dǎo)致較大的電流變化，從控制的角度來看，控制電流更容易構(gòu)建一個穩(wěn)定的控制系統(tǒng)；另外從光通量的角度出發(fā)，光通量由正向電流決定，所以控制電流更具有光學(xué)物理意義。為了消除電壓波動帶來的影響，采用線性恒流源控制輸出電流，高邊開關(guān)做開關(guān)使用。如圖9所示。圖9所示的驅(qū)動拓?fù)涓嗟氖强紤]和白熾燈驅(qū)動做兼容，便于平臺化設(shè)計。

當(dāng)驅(qū)動電流更大時，比如驅(qū)動電流達(dá)1A左右時，線性恒流源的損耗加大，效率降低明顯。此時，為了提高照明效率，采用DC-DC驅(qū)動方式，如圖10所示。DC-DC驅(qū)動方式有恒流和恒壓驅(qū)動兩種方式。直接驅(qū)動LED時，采用恒流驅(qū)動，如果做前級調(diào)壓時，采用恒壓控制，這種方式在單獨驅(qū)動多個LED串時適用，每個LED串可單獨控制。四種驅(qū)動方式各有優(yōu)缺點，總結(jié)如表4所示。

3 關(guān)鍵設(shè)計步驟

在分析和了解控制對象后，可以根據(jù)OEM提供的系統(tǒng)需求設(shè)計車身控制模塊BCM。 基本設(shè)計步驟包括電源和負(fù)載分類、功耗和熱設(shè)計以及保護(hù)診斷功能設(shè)計三大部分。

3.1 電源和負(fù)載分類

電源通常分為常開電（CL15）和常閉電（CL30），如圖11所示。

除了CL15和CL30的區(qū)別外，一般OEM會根據(jù)負(fù)載類型和功能，對不同的負(fù)載配以不同的電源線，也就是說從配電盒分出的12V電源線不止一路，具體路數(shù)不同的OEM有不同的定義，具體路數(shù)會在4~8路之間。

3.2 功率器件

選擇功率器件主要是對功率器件工作時靜態(tài)和動態(tài)的電應(yīng)力進(jìn)行計算和評估。進(jìn)行這些計算主要需要考慮的外部因素包括供電電壓、溫度、負(fù)載和安裝方法，如表5所示。

下面以感性負(fù)載計算舉例說明器件選擇過程，如表6所示。

以上計算未考慮功率器件導(dǎo)通電阻隨溫度變化的特性，而是以最大電阻作為計算值，實際溫升要小于以上計算值，精確的計算需要根據(jù)溫度變化調(diào)整導(dǎo)通電阻的值進(jìn)行溫升計算，一般采用軟件仿真來進(jìn)行。圖12是英飛凌公司內(nèi)部軟件熱仿真結(jié)果，300秒后溫度上升至103.9℃，小于以上固定導(dǎo)通電阻計算結(jié)果115.6℃。

3.3 保護(hù)和診斷

汽車運行的高可靠性要求半導(dǎo)體器件具有各種保護(hù)功能，并在失效后MCU能知曉失效信息，并能將這些信息能告知用戶，常見的診斷技術(shù)和保護(hù)技術(shù)如表7所示。

在針對各種負(fù)載選擇合適的驅(qū)動元器件之后，硬件設(shè)計工作第一階段初步完成，接下來需要做的是原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計和軟硬件調(diào)試，這些內(nèi)容不屬于本文討論的問題，以后會有專門的文章討論相關(guān)技術(shù)問題。圖13是BCM常見負(fù)載選型框圖。

4 設(shè)計趨勢

目前BCM設(shè)計技術(shù)日新月異，主要的趨勢是平臺化靈活性更高，集成度更高和分布式設(shè)計者三大方向。另外隨著ISO26262安全規(guī)范的推行，關(guān)于功能安全的考慮在BCM設(shè)計中將會得到更多的體現(xiàn)。

4.1 集成度和靈活性

隨著汽車電子的發(fā)展，目前BCM設(shè)計的趨勢是平臺化和高集成度化兩個趨勢。平臺化SBC、SPI器件、共用ADC，以及高低邊可配等。 主要通過器件的兼容性來實現(xiàn)。集成度主要是提高器件的集成度，例如采用系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片將電源、CAN收發(fā)器、LIN收發(fā)器集成到一個芯片上，在功率輸出方面采用SPI控制的多通道器件實現(xiàn)集成。英飛凌半導(dǎo)體在這兩方面均有豐富的產(chǎn)品鏈，如TLE826X和TLE926X系列SBC器件，多路高低邊SPOC和SPIDER家族。圖14(a)是BCM平臺化示意圖。

4.2 分布式系統(tǒng)

分布式系統(tǒng)是車身電子發(fā)展的又一大趨勢，由于車身系統(tǒng)中的負(fù)載較多，而且分布位置各異，位于車頭、側(cè)位、尾部和車內(nèi)，隨著負(fù)載數(shù)目的日益增加，如果每個負(fù)載均使用線速直連控制，會造成龐雜的線束系統(tǒng)，增加了車身的成本和重量。為了改善布線架構(gòu)和降低線束重量，車身系統(tǒng)中大量采用分布式ECU，即大量采用總線控制，終端負(fù)載通過ECU以節(jié)點的方式掛載到總線上，在車身系統(tǒng)尤其多采用LIN Slave結(jié)構(gòu)，如照明系統(tǒng)、座椅系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)等。英飛凌半導(dǎo)體提供了LinSlave的全套解決方案，其中典型的產(chǎn)品是ePower TLE983X系列，尤其適合車身應(yīng)用中的電機(jī)控制，如圖14(b)所示的智能車窗電機(jī)驅(qū)動，另外針對氛圍燈RGB調(diào)色的LIN節(jié)點芯片TLE730X和TLE739X系列。

5 實驗結(jié)果

本文根據(jù)對國內(nèi)外商用車BCM（24V電池供電）負(fù)載情況調(diào)研結(jié)果，給出了24V系統(tǒng)的BCM平臺參考設(shè)計。圖15是24V BCM的設(shè)計系統(tǒng)框圖，包括微處理器、功率芯片、電源、輸入開關(guān)和通信模塊等部分，圖中給出了負(fù)載和相關(guān)驅(qū)動的型號。該BCM目前已經(jīng)通過了實驗驗證，圖16是實驗驗證模擬，包括輸入板、BCM和負(fù)載板三大部分組成。后續(xù)將進(jìn)行實車測試。