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更低功耗、更简设计——如何事半功倍的实现汽车电子系统多开关状态的检测

2017年12月11日 作者: 11 7,625+ 1

依托电子信息技术的快速发展和汽车制造业的不断变革,近10年来,汽车领域的发展也可谓“花开两朵,各表一枝”,一些老牌车企向着更低燃油消耗乃至于混动方向发展,而一些具有代表性的新能源车企如国外知名的特斯拉,国内的比亚迪,则是朝着电动汽车方向不断前进,虽然看似不同的方向,但是在汽车电子方向,两者又是出奇的一致,都在不断提高汽车的安全性、舒适性、娱乐性等驾乘体验。

汽车电子中不可或缺的组成部分——开关状态检测

众所周知,在汽车电子中,车身控制模块(BCM)是整个汽车系统中的一个电子控制单元,主要负责检测和控制车身内各种电子器件,如电动车窗、电动后视镜、空调、车辆中控系统等,为了实现这些功能,在汽车的不同位置都使用了大量的开关,并且由BCM负责检测这些开关的状态。

这些开关状态直接反应了车辆的功能情况,让车主能在第一时间了解车身情况,其重要性不言而喻。

车辆中的开关一般会有两种不同类型。如果一个开关只有两个状态,打开和关闭,我们简单把它归为数字开关,例如安全带开关,前后雾按钮,后备箱开关和门锁开关;而如果开关具有多个状态或多个位置,我们则可以将其归为模拟开关,当开关切换到不同位置时,模拟开关通常由不同的电阻值来实现,所以有时候叫做电阻编码开关,例如点火钥匙开关,尾灯和大灯控制开关以及雨刮器控制开关。

再者,不同车辆之间的开关数量也是不同的,最简单的例子:同样系列的车,配置越低开关数肯定越少,而一辆高配置或者豪车上面的开关数可能达到上百个。可想而知,要构建一个如此多数量的开关状态监测系统所面临的挑战有多困难。那么问题来了,在BCM的整个系统设计中,开关状态检测的解决方案是如何实现的?

传统解决方案

对于数字开关,最容易想到的方式就是通过微控制器的IO口来监控,如下图所示,这是一个使用分立元件和微控制器实现开关检测功能的典型设计图。

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为了检测开关的状态,通常将偏置电流提供给开关以建立可被采样的电压,一个数字开关只有两个状态,所以检测功能上非常容易实现。但是作为汽车电子,为了保证设计可靠性,需要设计不少保护电路,比如在接口处需要一个ESD器件用于系统保护;增加隔离二极管,防止电流回流至电源;增加电阻分压器电路将输入电压降低到微控制器可以容忍和采样的电平。

再进一步,我们还需要考虑湿性电流,还是以上图为例,RWETT是一个用于调节进入开关的湿性电流量的电阻,为了降低功耗,需要定期关闭湿性电流,这里通过FET和电阻组合来实现的。

这样算下来,原本一个数字开关通道的检测需要高达五个电阻,两个电容,一个二极管,两个FET和一个单独的GPIO连接(如果是模拟开关,可能还需要用到ADC功能)。假设汽车上有24个开关,那采用这些分立元器件设计将面临什么样的挑战可想而知:

首先肯定是元器件数量增多,增加设计难度。

其次是GPIO口数量要求多。每个开关都要占用一个GPIO口,如果再通过GPIO用于FET的时序控制,那无疑需要更多的GPIO口,扩展的GPIO口越多,会同时增加选型MCU的成本。

第三是高功耗。为了快速切换响应,MCU需要始终处于激活状态或者定期唤醒以确保持续的开关监控,这会增加电路的功耗,尤其在汽车熄火状态下,许多汽车制造商对可从电平获得的最大静态电流有着非常严格的限制以延长电池寿命,如果MCU持续工作,这个目标有时是难以满足的。

第四是湿性电流的变化。汽车电平的电压可能会由于启动,负载转变,瞬态尖峰等因素而突然改变,由于湿性电流是由电阻调节的,电压的变化也因此导致湿性电流发生变化;尤其是在使用模拟开关时,湿性电流的变化会使系统设计更加复杂。在最坏的情况下,车辆可能会报告错误的开关状态,这不仅会给司机、乘客造成直接的麻烦,甚至导致系统故障。

综合看来,虽然传统解决方案也可以实现汽车电子系统多开关状态的检测,但那无疑在成本、功耗、可靠性、设计复杂度等都给工程师提出了巨大的挑战。面临这样的困境,有没有一种行之有效的解决方案呢?

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评论 ( 11 )
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  • morphlings2014

    汽车电子对于电路要求确实很高,需要做开关检测的地方也很多,低功耗,简单设计利于整体的运行,确实是一打助力。

    2017年12月27日  20:27:08
     11楼

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