使用應用專屬 IC 簡化汽車車門電子設計

到 2030 年，電子元件將佔一部汽車造價的 50%，其中電子含量增多的部位之一便是車門。車門電子元件設計是一項挑戰，每扇門都需要控制器、控制器區域網路 (CAN)，或是連接到汽車其他系統的區域互連網路 (LIN) 收發器、多馬達驅動器，以及穩壓器。在導入設計時，這些元件和網路可能會變得複雜、昂貴、笨重且耗時，因此設計人員正設法簡化應用並縮減物料清單 (BOM)。

應用專屬的標準產品 (ASSP) 能專門針對汽車應用而設計，可減輕設計人員的工作。此外，這些解決方案使設計人員可以根據設計的複雜度和成本限制，採用集中式或分散式方法來設計車門電子元件。

本文將介紹網路式車門電子系統的演進，並解釋集中式和分散式方法各自的優缺點。然後，本文會探討如何使用 ASSP 在集中式設計中簡化單個車身控制單元 (BCU) 的設計，以及在分散式設計中簡化每扇門的各個車身控制單元的設計。本文還將探討如何透過 CAN 和 LIN 解決方案將這些方法整合到汽車的車載網路 (IVN) 中。我們將以 ON Semiconductor 的解決方案為例進行說明。

汽車電子元件及網路功能的演進

汽車電子元件一開始是因應引擎控制單元 (ECU) 的需求而生，用來管理燃油噴射，70 年代開始取代了化油器的地位。此後，電子元件數量激增。現在，高檔汽車在四個關鍵領域採用全面的電子系統：

• 傳動系統 (引擎控制、變速器控制、啟動器／交流發電機)
• 車身及舒適性 (照明、HVAC、座椅及車門、遙控鎖)
• 安全性 (ABS、動力轉向、安全氣囊、駕駛輔助)
• 車用資訊娛樂 (導航、音訊、多媒體、蜂巢連線、藍牙、車載資訊系統、儀表板)

這些系統都使用專屬的運算模組，每個模組透過採用 CAN 及／或 LIN 技術的 IVN 連結。

CAN 是一項汽車匯流排標準，用於讓運算模組與感測器／致動器直接通訊，而不需要使用主機電腦。該標準會為連線安排優先順序，因此，若是同時有多個元件進行傳輸，則最重要的元件會取得最高順位，避免爭用問題，並確保關鍵的功能不會延遲。CAN 太昂貴，無法用來連線汽車中的每個電子組件，因此通常搭配 LIN 使用，以將所有元件加到 IVN 中。LIN 使用較不複雜、成本較低的序列連結技術，來實現通常與乘客舒適性有關的非時間關鍵型功能。

本文重點介紹與車門相關的電子系統。和汽車的其他部分一樣，為方便駕駛員，車門使用的電子元件越來越多。

現代的汽車大多數都有電子控制車窗、車鎖和後照鏡，最近還引入了防夾傷等功能。豪華汽車則配備車門後照鏡除霜功能、後照鏡鑲嵌轉向燈，以及門內照明。新一代的高階車型將包含電致變色後照鏡控制功能，可視其他車流的燈光亮度調整側鏡的暗化程度。

分散式與集中式汽車電子元件控制

車門電子元件的集中式拓撲是目前最常用的方法，尤其是對於成本較低、車門功能有限的車款而言。BCU 是一個由 INV 系統、微處理器、致動器驅動器和離散元件組成的模組，透過載電線路以及單獨的 CAN 或 LIN 通訊佈線，連接到每扇門中的致動器。這種方法的主要優點是成本低 (只需要一個 BCU)、可擴充 (圖 1)。

圖 1：集中式車門電子系統使用單個 BCU，可節省成本。(圖片來源：ON Semiconductor)

但是，集中式拓撲已不再受到高檔汽車的青睞，因為這類車款需要提供更高級別的功能，而這又需要更多的佈線。結果，線束會變得沉重、複雜且昂貴。

替代的選擇是分散式方法，即每扇門都有自己的 BCU。在這種實作方式中，大多數佈線都限制在局部，BCU 只需要使用一個電源供應器 (接著在局部將電力配送到車門致動器)，而 CAN 及／或 LIN 連線會延伸至汽車其他部位。這種方法的主要優點是大幅減少了線束的重量、複雜度和成本，而且 BCU 的設計彈性大，能適用於預期的車門。例如，前門 BCU 需要具備額外的功能，才能協助車門後照鏡運作 (圖 2)。

圖 2：分散式系統可減少線束的重量和複雜度。(圖片來源：ON Semiconductor)

儘管分散式拓撲越來越受歡迎，但並沒有跡象表明集中式方法正在退出舞台。要選擇哪一種設計方法，在很大程度上取決於成本和線束複雜度之間的取捨。

一些廠商提供的解決方案可簡化分散式或集中式解決方案的設計。例如，ON Semiconductor 為車門電子系統提供多款 ASIC、ASSP 和離散元件，讓設計人員可以自由選擇自己喜愛的微控制器 (圖 3)。

圖 3：ON Semiconductor 為分散式和集中式 BCU 提供多種 ASIC、ASSP 和離散解決方案，讓設計人員可以自由選擇自己喜愛的微控制器。(圖片來源：ON Semiconductor)

車載網路

無論設計人員選擇分散式設計還是集中式設計來進行車門電子元件控制，都需要確保將 BCU 整合至 IVN 中。CAN 控制器可促進 CAN 連接性，此控制器能搭配 CAN 收發器，在控制器和實體匯流排之間形成介面。ON Semiconductor 的 NCV7341D21R2G 就是其中一款適合用於汽車應用的 CAN 收發器。這是一款速度高達 1 Mbit/s 的 CAN 元件。此晶片搭載差動接收器，具備高共模範圍，可在嚴苛的車用環境中提供良好的電磁耐受性 (EMI)。另外，晶片的匯流排引腳受到電壓暫態保護，以免因電壓暫態而擾亂汽車電氣系統 (圖 4)。

圖 4：NCV7341D21R2G CAN 收發器搭載 5 V CAN 控制器的典型應用線路圖。對分散式和集中式車門系統來說，這款收發器都是連線至 IVN 的理想選擇。(圖片來源：ON Semiconductor)

分散式系統不只需要 CAN 連接性以連至 IVN，在前後 BCU 之間，也需要具備 LIN 連接性，如圖 2 所示。前門 BCU 連接至 CAN，但為了節省成本和減少佈線量，LIN 以菊鏈方式將後門 BCU 連至前門 BCU。LIN 只用單條線連接至每個節點，從而簡化佈線並降低成本。雖然傳輸量限制為最高 20 kbit/s，但這對控制門鎖、車窗及車門後照鏡等元件來說已經足夠。

對於車門安裝電子元件的 LIN 連接性，ON Semiconductor 的 NCV7321D12R2G LIN 收發器是很好的選擇。這款晶片整合了 LIN 發射器、LIN 接收器、開機重置 (POR) 電路、熱關斷，以及四種運作模式 (未啟動、待命、一般和睡眠模式)。這些模式是由電源電壓 (V_BB，5 至 27 V)、輸入訊號致能 (EN) 與 WAKE，以及 LIN 匯流排上的活動所決定。收發器經過最佳化，能提供最大的傳輸量，並且由於 LIN 輸出的迴轉率低而具有良好的 EMI 特性。

LIN 拓撲使用單個主控節點，能夠控制多達 16 個從屬節點。根據圖 2 所示，在分散式系統中，前後 BCU 都結合了一個主控節點，而車窗控制面板等周邊裝置則結合了從屬節點。主控節點將 LIN 收發器與適合的微控制器進行配對 (圖 5)。

圖 5：採用主控節點配置之 NCV7321D12R2G LIN 收發器的典型應用線路圖。每個主控節點能夠控制多達 16 個從屬節點。(圖片來源：ON Semiconductor)

車門致動器驅動器

針對分散式或集中式拓撲，BCU 其他關鍵的組件包含致動器驅動器，而驅動器是驅動門鎖、後照鏡、車窗和其他系統的必要元素。ON Semiconductor 提供了一款三重半橋式驅動器 NCV7703CD2R2G，其專為這些應用的汽車與工業動作控制而設計。這三個半橋式驅動器能透過標準的序列周邊裝置介面 (SPI) 來獨立控制，典型輸出供電量為 500 mA，最大為 1.1 A。此晶片的電源供電電壓為 3.15 至 5.25 V，負載電壓為 5.5 至 40 V。

最大晶粒溫度是設計上的一項關鍵限制。晶粒溫度不應超過 150°C，即便這會限制該元件三個驅動器可同時使用的數量亦然。

輸出驅動控制 (以及故障回報) 是透過 SPI 埠來處理。EN 功能提供低靜態睡眠電流模式 (此時元件處於未使用狀態)，而且 EN、SI 及 SCLK 輸入上提供了下拉電阻，以確保這些輸入在輸入訊號中斷時預設為低態。

圖 6 顯示如何在車門後照鏡定位系統中使用 NCV7703CD2R2G 三重半橋式驅動器。在此配置下，三個半橋式驅動器的輸出會驅動兩個電動馬達，以沿著 X 和 Y 方向移動後照鏡。

圖 6：此方塊圖顯示了後照鏡位置調整應用中 ON Semiconductor 的 NCV7703CD2R2G 三重半橋式驅動器，其中說明三個半橋驅動器的輸出如何驅動兩個電動馬達，以沿著 X 和 Y 方向移動後照鏡。(圖片來源：ON Semiconductor)

使用單一微處理器來控制多個 NCV7703CD2R2G 三重半橋式驅動器，可以縮減車門電子元件的物料清單。要達到此目的，最有效率的做法是讓驅動器和每個以多工方式控制的元件平行運作。

在序列配置下，序列串中最後一個元件的編程資訊必須先通過前面所有的元件。平行控制拓撲能消除這個需求，但代價是會將處理器的選擇範圍限縮至：元件具有對應於每個驅動器的晶片選擇單元 (CSB) 引腳。接著，只有透過其相應 CSB 引腳啟動的元件，才會辨識出序列資料 (圖 7)。

圖 7：透過使用單一微處理器來控制多個三重半橋式驅動器，可以降低車門電子元件的物料清單成本。(圖片來源：ON Semiconductor)

NCV7703CD2R2G 三重半橋式驅動器的電源輸入需要進行 5 V 穩壓，以進行內部運作。對於這項要求，ON Semiconductor 的 NCV8518BPWR2G 線性穩壓器是個很好的選擇。這款晶片具有 5 V 的固定輸出，穩壓範圍在 ±2% 以內。此元件適合用於所有的車用環境中，具有低壓降電壓 (典型值為 425 mV) 和低靜態電流 (100 µA)。安全特點包括熱關斷、短路防護，以及能夠處理最高 45 V 暫態電壓。此線性電壓穩壓器也能用來為 BCU 的微處理器供電 (圖 8)。

圖 8：NCV8518BPWR2G 線性穩壓器很適合為 BCU 上的致動器驅動器和微處理器供應 5 V 輸出電壓。(圖片來源：ON Semiconductor)

NCV8184DR2G 是車門電子元件零件的線性穩壓器替代選擇，此產品成本更低。這款晶片提供介於 -3.0 至 45 V 的可調式緩衝輸出電壓，會密切追蹤參考輸入 (±3.0 mV)。工作電壓範圍介於 4.0 至 42 V。

NCV8184DR2G 有一項實用的特點，即在一般的配置下，能承受電瓶短路而不會受損 (圖 9)。當一隔離電源在較低電壓下供電時，若發生電瓶短路的情況，這款晶片也能承受得住。

圖 9：NCV8184DR2G 是個成本較低的 BCU 穩壓選擇，能夠承受電瓶短路。(圖片來源：ON Semiconductor)

離散元件

除了用於 IVN、致動器驅動器以及穩壓器使用的單晶片元件之外，ON Semiconductor 還針對車門電子元件提供多種離散元件，例如汽車級齊納二極體等等。這些元件可以用來保護 BCU 中敏感的矽，透過暫態電壓抑制 (TVS) 使其免受外部因素 (例如雷擊和靜電放電 (ESD)) 所導致的電壓尖波影響。(關於汽車電子元件防護的細節，請參閱 DigiKey 資料庫文章《TVS 二極體保護設計可提升 CAN 匯流排可靠性》。)

齊納二極體 (結合電阻以及 MOSFET) 的第二個應用，是構成成本低廉之小型線性穩壓器的基礎。線性穩壓器可以由離散元件組裝而成，對電瓶的電源電壓進行穩壓，以驅動致動器前驅動器和驅動器 (圖 10)。汽車電瓶的供應電壓約為 14 V，而 NCV7703CD2R2G 三重半橋式驅動器的電源電壓 (V_S) 可介於 5.5 至 40 V 之間。當電瓶的電壓輸出變動時，這個簡單且成本低廉的齊納二極體線性穩壓器可為車門電子元件維持穩定的電壓。

圖 10：車門電子元件 BCU 的一部分，顯示了由離散元件組裝而成的線性穩壓器 (螢光標記)。此穩壓器會對汽車電瓶的電壓 (Vbat) 進行穩壓，調整為致動器橋接器所需的電源電壓 (VS)。(圖片來源：ON Semiconductor)

ON Semiconductor 的 SZBZX84C5V1LT3G 是一款適合此應用的齊納二極體。這是一款汽車級 (AEC-Q101) 齊納二極體，以小型的 SOT-23 封裝供應。這些元件能以最小的空間需求提供穩壓功能。這款齊納二極體的最大功率耗散量為 250 mW，齊納崩潰電壓能力介於 2.4 至 75 V，具體視所選的元件而定。

整個穩壓器需要使用一個電阻來限制流經齊納二極體的電流。挑選的電阻應允許足夠的電流流至負載及齊納二極體，以進行穩壓，但不應允許非常多的電流。此齊納穩壓器具有很高的電源阻抗值，因為所有負載電流都必須流經限流電阻，從而限制住穩壓器能提供至負載的電流量。使用來源隨耦器 (如圖 10 所示的 MOSFET) 對齊納二極體的輸出進行緩衝，可克服此限制。(如需更多資訊，請參閱 Maker.io 的文章《帶有電晶體電流緩衝器的齊納二極體穩壓器》。)

結論

隨著汽車製造商在汽車中加入更多功能，車門電子元件變得越來越複雜。這種趨勢使工程師更加難以設計出滿足嚴苛的成本、重量、空間和可靠性限制的系統。

如本文所述，專為滿足汽車標準而設計的 ASIC、ASSP 和離散元件能相輔相成，不僅能緩解設計挑戰，還能讓工程師以模組化的方式來設計車門電子元件。這樣的方法可以更輕鬆地滿足規格和物料清單限制，同時保持良好的效能和可靠性。

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