BCM硬件設計的平臺化和半導體化

1. 前言

BCM是車(chē)身（包括24V商用車(chē)和12V乘用車(chē)）電子的重要內容，BCM是Body Control Module的縮寫(xiě)。主要任務(wù)之一是燈光控制，包括前燈、側燈、尾燈和室內燈，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(chē)通訊信息。本文主要討論BCM系統的硬件設計，設計的原則是根據負載特性選擇不同的驅動(dòng)方式，達到控制相關(guān)負載的目的。此外，本文對功率損耗分析、診斷等關(guān)鍵內容進(jìn)行了詳細闡述。

2. 負載

負載是控制器的控制對象，在設計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載類(lèi)型和驅動(dòng)類(lèi)型兩方面考慮。

2.1 負載類(lèi)型

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

其中，需要說(shuō)明的是阻性負載中除了具有加熱功能的電阻絲外，LED也屬于阻性負載。LED與傳統發(fā)光器件白熾燈不同， LED導通后，導通電壓和電流成線(xiàn)性關(guān)系，符合歐姆定律。由于LED本質(zhì)是二極管，在導通之前，LED呈高阻狀態(tài)，從全范圍來(lái)看LED是包含兩個(gè)電阻狀態(tài)的阻性負載。白熾燈和氙燈是容性負載，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，表現為在低溫時(shí)電阻極小，高溫時(shí)電阻較大的特性，而白熾燈和氙燈在照明時(shí)溫度較高，此時(shí)的燈絲電阻為其額定工作電阻。（英飛凌igbt廠(chǎng)家）

2.1.1 容性負載白熾燈

白熾燈和氙燈啟動(dòng)過(guò)程中，由于燈絲冷態(tài)電阻極低，表現出來(lái)的啟動(dòng)電流極大，這個(gè)電流類(lèi)似于初始電壓很小或者為零時(shí)的電容充電電流，也稱(chēng)這個(gè)電流為浪涌電流（Inrush Current）。由于白熾燈和氙燈的啟動(dòng)過(guò)程類(lèi)似電容充電，所以被稱(chēng)為容性負載，如圖2(a)、(b)所示 。 燈負載是BCM模塊的主要負載，常見(jiàn)的法規強制要求燈負載如表1所示。

2.1.2 阻性負載LED

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

LED發(fā)光顏色由材料決定，材料不一樣導致了不同的顏色。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(shí)踐證明，光的峰值波長(cháng)λ與發(fā)光區域的半導體材料禁帶寬度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(jiàn)光(波長(cháng)在380nm紫光～780nm紅光)，半導體材料的Eg應在3.26～1.63eV之間。比紅光波長(cháng)長(cháng)的光為紅外光?，F在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發(fā)光二極管，但其中藍光二極管成本、價(jià)格很高，使用較少。LED的一個(gè)重要參數是正向導通電壓VF，這個(gè)值一般是定義在正向導通電流在20mA下。不同顏色LED的正向導通電壓不一樣，如圖4所示。表2總結了各種顏色LED的波長(cháng)、正向電壓、材料和發(fā)光顏色間的關(guān)系?？梢钥闯?，波長(cháng)越小，正向電壓越大。

實(shí)際應用中，除了考慮如圖5所示LED的伏安特性曲線(xiàn)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(shí)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(lái)表示光通量。

2.1.3 感性負載

感性負載中，雨刮電機、風(fēng)扇電機、電磁閥和繼電器是常見(jiàn)的負載，本質(zhì)上是不同感值的線(xiàn)圈繞組。值得指出的是，線(xiàn)束也具有感性負載特性，在電池拋負載即電池兩極和線(xiàn)束之間的連接突然丟失時(shí)，會(huì )在線(xiàn)束上產(chǎn)生一個(gè)電壓尖峰，這個(gè)尖峰的產(chǎn)生是由于線(xiàn)束的寄生電感引入的。線(xiàn)束的長(cháng)度在汽車(chē)或者卡車(chē)應用中不可以忽略不計，線(xiàn)速的等效電阻和寄生電感需要在ECU的設計中加以考慮。圖7所示為繼電器結構圖，電磁閥的結構稍微有差異，原理類(lèi)似。繼電器更多的是控制電流的開(kāi)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(kāi)關(guān)采用高邊驅動(dòng)較多，如汽車(chē)安全系統中的ABS控制器中的各種電磁閥，而在車(chē)身系統中的繼電器由于驅動(dòng)電流較小，多采用低邊驅動(dòng)。感性負載驅動(dòng)需要注意的是關(guān)斷時(shí)高邊會(huì )出現反向電壓，低邊會(huì )出現正向電壓，使得高低邊開(kāi)關(guān)的兩端電應力加大，在實(shí)際應用中必須采取措施限制這個(gè)電壓應力。圖7是高邊驅動(dòng)感性負載的關(guān)斷示意圖。

在實(shí)際驅動(dòng)繼電器或者電磁閥時(shí)，需要特別注意關(guān)斷瞬間的問(wèn)題。由于感性元件具有儲能的作用，根據電磁感應定律，電感線(xiàn)圈上會(huì )產(chǎn)生一個(gè)感應電動(dòng)勢，這個(gè)電動(dòng)勢會(huì )使得電流保持原來(lái)的方向不變，即續流作用，對高邊負載來(lái)說(shuō)，輸出端會(huì )產(chǎn)生一個(gè)對地負壓，如圖7所示。從而使得高邊MOS的源漏電壓Vds加大，如果這個(gè)電壓超過(guò)一定值會(huì )導致高邊功率器件擊穿。因此需要對這個(gè)電壓進(jìn)行鉗位，防止開(kāi)關(guān)管過(guò)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穩定在安全電壓范圍內。在鉗位過(guò)程中，開(kāi)關(guān)管自身消耗掉感性負載的存儲能量，如果這個(gè)能量值對開(kāi)關(guān)管而言是固定的，由開(kāi)關(guān)管的熱特性決定，因此在匹配開(kāi)關(guān)管和感性負載的時(shí)候需要考慮這個(gè)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(jiǎn)化公式：

2.2 驅動(dòng)類(lèi)型

在BCM設計中涉及到許多負載，對應不同的負載會(huì )采用不同的驅動(dòng)類(lèi)型，主要包括開(kāi)關(guān)驅動(dòng)和LED驅動(dòng)兩類(lèi)。

2.2.1 開(kāi)關(guān)驅動(dòng)

驅動(dòng)類(lèi)型主要是從驅動(dòng)負載的電路拓撲加以考慮，主要有高邊驅動(dòng)、低邊驅動(dòng)、半橋驅動(dòng)和全橋驅動(dòng)（包括兩相全橋和三相全橋）四種，如圖8所示。

這四種拓撲常采用開(kāi)關(guān)器件來(lái)實(shí)現，開(kāi)關(guān)器件種類(lèi)很多，其中常見(jiàn)的有機械開(kāi)關(guān)和半導體開(kāi)關(guān)兩種，出于能效和壽命方面的優(yōu)勢，目前半導體開(kāi)關(guān)是BCM設計中的主流選擇。半導體開(kāi)關(guān)中有三極管、MOSFET和IGBT等。在車(chē)身電子中，大多數負載采用帶保護和診斷的MOSFET來(lái)驅動(dòng)。英飛凌作為全球第一大功率器件供應商，為客戶(hù)提供了豐富的功率器件家族供選擇，如表3所示。

對于負載采用何種拓撲來(lái)驅動(dòng)一般由OEM來(lái)決定，因為這和線(xiàn)束的設計有關(guān)，從功能上來(lái)說(shuō)，有些負載比如阻性負載，既可以采用高邊驅動(dòng)也可以采用低邊驅動(dòng)，甚至半橋。另外對于電機來(lái)說(shuō)，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(lái)線(xiàn)束上的節省，在整車(chē)中負載的驅動(dòng)中越來(lái)越多地采用高邊驅動(dòng)。

2.2.2 LED驅動(dòng)

目前在汽車(chē)領(lǐng)域應用中存在白熾燈和LED照明都存在的情況，基于平臺化設計的理念，需要兼容白熾燈和LED兩種負載。 從前文敘述可知，一般使用高邊開(kāi)關(guān)來(lái)驅動(dòng)白熾燈，也可以用高邊開(kāi)關(guān)Profet來(lái)驅動(dòng)LED，但是因為L(cháng)ED的驅動(dòng)電流較小，需要選用導通電阻較大的功率管。這種直接采用限流電阻恒壓驅動(dòng)的方式多針對LED電流較小的應用，在LED電流較大時(shí)，電阻上消耗的功率較大，照明效率降低。此外，這種簡(jiǎn)單恒壓驅動(dòng)方式不能抑制電壓波動(dòng)帶來(lái)的影響，容易造成LED的亮度變化，因此這種驅動(dòng)方式對亮度比較敏感的應用不適用。從LED伏安特性來(lái)看，正向電壓大于導通電壓VF之后，微小的電壓變化會(huì )導致較大的電流變化，從控制的角度來(lái)看，控制電流更容易構建一個(gè)穩定的控制系統；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(dòng)帶來(lái)的影響，采用線(xiàn)性恒流源控制輸出電流，高邊開(kāi)關(guān)做開(kāi)關(guān)使用。如圖9所示。圖9所示的驅動(dòng)拓撲更多的是考慮和白熾燈驅動(dòng)做兼容，便于平臺化設計。

當驅動(dòng)電流更大時(shí)，比如驅動(dòng)電流達1A左右時(shí)，線(xiàn)性恒流源的損耗加大，效率降低明顯。此時(shí)，為了提高照明效率，采用DC-DC驅動(dòng)方式，如圖10所示。DC-DC驅動(dòng)方式有恒流和恒壓驅動(dòng)兩種方式。直接驅動(dòng)LED時(shí)，采用恒流驅動(dòng)，如果做前級調壓時(shí)，采用恒壓控制，這種方式在單獨驅動(dòng)多個(gè)LED串時(shí)適用，每個(gè)LED串可單獨控制。四種驅動(dòng)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，總結如表4所示。

3 關(guān)鍵設計步驟

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

3.1 電源和負載分類(lèi)

電源通常分為常開(kāi)電（CL15）和常閉電（CL30），如圖11所示。

除了CL15和CL30的區別外，一般OEM會(huì )根據負載類(lèi)型和功能，對不同的負載配以不同的電源線(xiàn)，也就是說(shuō)從配電盒分出的12V電源線(xiàn)不止一路，具體路數不同的OEM有不同的定義，具體路數會(huì )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(shí)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的電應力進(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、負載和安裝方法，如表5所示。

下面以感性負載計算舉例說(shuō)明器件選擇過(guò)程，如表6所示。

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

3.3 保護和診斷

汽車(chē)運行的高可靠性要求半導體器件具有各種保護功能，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(hù)，常見(jiàn)的診斷技術(shù)和保護技術(shù)如表7所示。

在針對各種負載選擇合適的驅動(dòng)元器件之后，硬件設計工作第一階段初步完成，接下來(lái)需要做的是原理圖設計、PCB設計和軟硬件調試，這些內容不屬于本文討論的問(wèn)題，以后會(huì )有專(zhuān)門(mén)的文章討論相關(guān)技術(shù)問(wèn)題。圖13是BCM常見(jiàn)負載選型框圖。

4 設計趨勢

目前BCM設計技術(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計者三大方向。另外隨著(zhù)ISO26262安全規范的推行，關(guān)于功能安全的考慮在BCM設計中將會(huì )得到更多的體現。

4.1 集成度和靈活性

隨著(zhù)汽車(chē)電子的發(fā)展，目前BCM設計的趨勢是平臺化和高集成度化兩個(gè)趨勢。平臺化SBC、SPI器件、共用ADC，以及高低邊可配等。 主要通過(guò)器件的兼容性來(lái)實(shí)現。集成度主要是提高器件的集成度，例如采用系統基礎芯片將電源、CAN收發(fā)器、LIN收發(fā)器集成到一個(gè)芯片上，在功率輸出方面采用SPI控制的多通道器件實(shí)現集成。英飛凌半導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

分布式系統是車(chē)身電子發(fā)展的又一大趨勢，由于車(chē)身系統中的負載較多，而且分布位置各異，位于車(chē)頭、側位、尾部和車(chē)內，隨著(zhù)負載數目的日益增加，如果每個(gè)負載均使用線(xiàn)速直連控制，會(huì )造成龐雜的線(xiàn)束系統，增加了車(chē)身的成本和重量。為了改善布線(xiàn)架構和降低線(xiàn)束重量，車(chē)身系統中大量采用分布式ECU，即大量采用總線(xiàn)控制，終端負載通過(guò)ECU以節點(diǎn)的方式掛載到總線(xiàn)上，在車(chē)身系統尤其多采用LIN Slave結構，如照明系統、座椅系統和空調系統等。英飛凌半導體提供了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(chē)身應用中的電機控制，如圖14(b)所示的智能車(chē)窗電機驅動(dòng)，另外針對氛圍燈RGB調色的LIN節點(diǎn)芯片TLE730X和TLE739X系列。

5 實(shí)驗結果

本文根據對國內外商用車(chē)BCM（24V電池供電）負載情況調研結果，給出了24V系統的BCM平臺參考設計。圖15是24V BCM的設計系統框圖，包括微處理器、功率芯片、電源、輸入開(kāi)關(guān)和通信模塊等部分，圖中給出了負載和相關(guān)驅動(dòng)的型號。該BCM目前已經(jīng)通過(guò)了實(shí)驗驗證，圖16是實(shí)驗驗證模擬，包括輸入板、BCM和負載板三大部分組成。后續將進(jìn)行實(shí)車(chē)測試。