基于Atmel半导体方案的汽车雨刷系统的设计实现

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  在目前已有的前端双雨刷系统中,左右雨刷器之间的同步用机械连接实现(图1)。这很有必要,因为挡风玻璃受污垢、风及雨刷器的状况不同的影响,使左右雨刷器的状态不同。

  多年来,汽车业一直在寻找一种能降低噪声和机械连接空间要求的智能方案。 

  一种方案就是用电子解决方案替代机械连接(图2)。在这种架构中,每个雨刷器都由一直流电机驱动。直流电机由可直接安装在电机组件内部的微控制器和驱动IC来控制。用一接口处理左右雨刷器的同步问题,这样,两刷器之间就没必要使用传统雨刷系统那种机械连接,其噪声大大减小,同时也节省了空间。 

  由于成本原因,雨刷系统使用直流电机。一种支持PWM和4个功率MOSFET控制方向驱动的全H桥栅极驱动器能控制这类电机。这种应用的IC必须采用高电压工艺设计,必须适合在苛刻的环境中使用。另外,如挡风玻璃雨刷系统这样的高容量直流电机应用应该采用优化的通信接口。 

  因为雨刷电子产品通常离汽车无线电设备很近,所以,必须控制EMC发射,汽车无线电的电子中断会使汽车驾驶员难以忍受。可以用差分串行通信接口(SCI)收发器来减少这类辐射,改善EMC性能。SCI收发器是一种差分器件,对于仅有一个雨刷器的系统,它能以单端模式工作。这种栅极驱动器具备的SCI功能使其与LIN设备很类似。不过,与标准LIN接口相比,数据传输率更快,高达100 k波特。 

  每个雨刷器模块(图3)都由一个微控制器、一个高度集成的栅极驱动器和直流电机组成。由多个霍尔传感器测量两个雨刷器的位置。驱动器通过雨刷器开关把命令送至微控制器。电子设备靠近雨刷器电机安装,对空间要求不是很大。

  ECU消耗电流要低这一要求的重要性不断增长。为能够保证待用IC的静态电流低,要采用专用唤醒和休眠模式。雨刷器应用的典型功能划分见图4示,由微控制器、微控制器供电稳压器以及其他如霍尔传感器的分立元件组成。为安全起见,例如在雨中驾驶时,雨刷器损坏可能就很危险,这就要求系统有一看门狗。 

  为进一步防止系统出现故障,要求汽车IC具备很多功能,如过热关闭、过压和欠压保护、以及防短路全保护,要满足严格的汽车鉴定要求(防传导干扰,EMC和ESD保护)。为解决这些问题,满足以上要求,Atmel公司开发了ATA6026这一高度集成的栅极驱动器IC。该栅极驱动器IC包括一个5V/100mA稳压器加一个看门狗,对要求PCB面积较小的较小型设计,这就减少了外部元件数,这在机电方案中很关键。该IC进行运动控制,因此这一功能不需要在微控制器中增加任何存储器。看门狗执行窗口看门狗的功能,在窗口打开期间,由微控制器通过WD引脚从低电平向高电平转化时触发。如果看门狗检测到窗口错误,即在窗口打开时未触发或者在窗口关闭时错误触发,将会产生复位脉冲。 

  图5中的框图给出了要实现的功能和典型应用的原理图。微控制器通过提供一PWM速度信号和一方向信号来控制IC的驱动功能。因为该芯片必须驱动外部H桥的栅极,所以包含有两个推挽式驱动器,用来控制两个用作高端驱动器的外部功率NMOS FET,另外还有两个推挽式驱动器,用来控制两个用作低端驱动器的外部功率NMOS FET。驱动器可与标准或逻辑电平功率NMOS FET一起使用。高端控制驱动器使用外部自举电容器给栅极提供超过电池电压8V~14V的电压。也可以逆向控制电机。采用电荷泵给高端驱动器的栅极供电,这样在两个方向上都可能达到100%的占空比。为防止H桥出现高峰值电流,采用非重叠相位实现外部功率NMOS晶体管的切换。交叉导通时间由外部RC组合决定。 

  内部和外部电压源采用低功率和低压降片上稳压器。一个用作功率元件的外部晶体管有助于降低功耗。在待用期间,器件的休眠模式能保证静态电流很低,通常为35微安。对于6V~9V的电池电压,稳压输出为5V ± 10%;电池电压超过9V时,稳压输出为5V ± 3%。为防止外部NPN管和IC的损坏,用一感测电阻检测稳压器输出电流。万一出现过电流,稳压器就将电流限制到指定的水平。也就是说,如果稳压器特性变为稳流器特性,则输出电压将击穿。即使出现永久的导通状态(100% PWM,自举功能不存在了),全集成充电泵仍能给高端驱动器的外部功率MOSFET的栅极供电。另外,用作反向电池保护的外部功率NMOS的栅极可由充电泵输出供电。 

  前面已经提到,ECU应用要具备休眠功能以满足低电流消耗的要求。在ATA6026的休眠模式下,可以使用引脚EN或数据唤醒IC。只有几个模块处于换醒状态(带隙、带有100 nF外部隔直电容的内部5V稳压器、检测EN引脚阈值的输入结构和SCI接收部分的唤醒模块)。上电缺省态为激活模式。为了在两个模式间变化,采用3个步骤。除激活/不激活EN引脚外,还有通过使用SCI收发器实现的第二种唤醒方法。在休眠模式下,SCI收发器部分激活并在单端模式下工作。如果用SCI去激活,则EN引脚能保持低电平,而不干扰激活模式。 

  由于稳压器、运动控制、看门狗和通信接口都集成在采用小型QFN封装的单芯片上,因此可降低系统总成本,同时对几乎所有种类的电机驱动应用,无需适配,输出级仍具有即插即用的灵活性。IC包含有运动控制部分,只是PWM速度信号和方向信息必须由微控制器提供。有两个诊断引脚,使故障安全功能成为可能。

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