下一代车门区系统IC将大力提高能效并推进汽车电气化
前言：
作者：G.Torrisi, F. Burkhardt and M. Gaertner
近年来，汽车电气化是大势所趋，汽车电气化不只是引入纯电动汽车，还是不断地用电控技术取代传统机械部件和机械继电器，或者在某些情况下引入新的功能。
汽车大规模电气化正在推动自动驾驶向更高级别发展，从中长期看，许多车辆可能被视为“无人驾驶出租车”。根据这一新的汽车驾驶概念，车门内的所有功能都将实现自动化，例如，智能自动开门和防碰撞检测。这些自动化系统将能检测到行人或骑车人正在靠近汽车，并自动控制开门操作，以避免碰撞危险。未来车门内还将装先进的传感器，用于检测车门外的障碍物，防止车门被撞坏。
大趋势的产生离不开专用半导体芯片的铺路。这些芯片需要跟随先进的电源管理概念，驱动从LED等毫瓦级的负载到瞬间耗散功率轻易达到200W的大功率直流电机。此外，汽车电子模块还需要配备高度标准化的通信接口，例如，CAN和LIN物理层。
如何确定一个正确的系统架构，以合理的成本实现新功能，且不会影响质量和性能，是汽车厂商面临的一大挑战。随着软硬件开发成本和复杂性不断提高，跟上OEM厂商的性能和功能要求变得越来越困难。此外，OEM厂商还要求部署有成本效益的可扩展的解决方案，从低端车型扩展到高端汽车，在不同平台和车型上分摊开发成本。
车门区电控模块(图1)是一个大家熟悉的受益于可扩展驱动方法的汽车系统，这个应用概念是用一颗IC驱动车门区的多个负载（门锁电机、可调可折叠后视镜、除霜器、车窗升降电机和LED、白炽灯等照明功能）。可扩展的驱动器，封装和软件全系兼容，适应车门电控模块的多样化要求，是车门区执行机构的典型特征。
图1：
在过去10余年里，车用半导体厂商开发出了若干个车门执行机构驱动器芯片，并随着汽车电气负载数量不断增加，给这些产品增加了新功能，对封装以及芯片制造技术和IP内核进行了优化。在车门区电子元器件中，除驱动芯片（图2）外，还有一个电源管理IC，为电控单元提供更强的系统电源，包括各种待机模式和通信层（主要是LIN和/或HS CAN）。电源管理芯片通常集成两个低压差稳压器，为系统微控制器和外设负载（传感器等外设）供电，还包含增强型系统待机功能，以及可设置的本地和远程唤醒功能。
图2：
车门执行机构驱动器和电源管理芯片都采用意法半导体为此应用专门优化的BCD (Bipolar、CMOS和 DMOS) 半导体制造技术。车门执行机构驱动器芯片采用0.7μm BCD技术，电源管理芯片采用0.57μm BCD技术。
为顺应新的汽车技术发展趋势，汽车半导体器件必须高效、安全地控制更多的电气负载，最大限度地降低静态电流，同时采用高集成度解决方案，减少元器件数量，缩减电路板空间，降低产品重量，从而大幅简化设计。
意法半导体专有的先进的0.16μm BCD8S是实现市场上独一无二的高集成度单片解决方案（图3）的关键技术，可满足电源管理、故障保护和车门负载驱动等应用的技术需求。这项技术还能提高能效和计算能力，将芯片的结温提高到175°C，达到汽车OEM厂商严格规定的标准结温，破解单片集成电源管理和执行机构驱动器带来的极具挑战性的热管理难题。
图3：
意法半导体创新的L99DZ100G / GP前车门控制器芯片和L99DZ120后车门控制器芯片有助于设计人员节省空间，同时提高车门控制模块的可靠性和能效。
以前的车门区ASSP (专用标准产品)解决方案需要2个芯片：一个12mm×12mm（TQFP64）的车门执行机构驱动器和一个10mm x 10mm（PowerSSO-36）的电源管理芯片，而意法半导体的车门区控制单片解决方案只需一个封装面积与TQFP64相同的LQFP64（图4），这对于PCB电路板小型化非常重要，能够适应更严格的空间要求。除了利用新的BCD技术缩减裸片尺寸外，还通过新的创新封装结构缩减封装面积，在缩小车门系统IC的同时，提高输出电流峰值和功率密度。
图4：
图4：
全系产品软件相互兼容，还有助于简化开发，缩短产品市场时间。
意法半导体专有的BCD8S先进汽车技术在实现这种单片解决方案中发挥着关键作用。该解决方案具有多种功能，包括内置半桥和高达7.5A的高边驱动器，可满足车门区应用的新要求。该解决方案还集成高速CAN（HS-CAN）和LIN 2.2a接口（SAE J 2602）、控制模块和保护电路。 除标准特性功能外，L99DZ100GP还支持ISO 11898-6 HS-CAN标准的选择性唤醒，让使用频率不高的ECU进入睡眠模式，同时保持与CAN总线的连接，最大限度地提高节能效果。
两款前门控制器都集成了MOSFET半桥，可以驱动多达五个直流电机和一个外部H桥。此外，这两款芯片还有八个LED驱动器和两个白炽灯驱动器、一个后视镜加热器栅极驱动器和一个车窗电致变色玻璃控制模块。其它特性包括外部电路(微控制器、传感器等)稳压器，以及相关的定时器、看门狗、复位发生器和保护功能。后门控制器L99DZ120也具有类似的功能，例如，电动车窗升降电机驱动器。
为车辆配备更多电子系统和功能有助于增加汽车的卖点，但更多的电子配置也提高了功率要求。因此，必须准确分析每个系统在各种工作条件下的功耗，尤其是纯电动汽车，浪费电力就等于缩短续航里程；电气部件越多，泄漏电流越大，这是不可避免的。因此，所有汽车制造商都非常看重静态电流和待机电流低的产品和/或技术。大多数ECU的最大待机电流预算为100μA，所以，客户经常说：“每个微安都很重要”。
因此，意法半导体在新车门区控制器芯片上集成一个有多种低静态电流模式的先进电源管理模块（待机/睡眠、定期监测、专用低电流模式LDO稳压器、定时器、接触设备电源）。在VBAT待机模式下，静态电流降至10μA以下，处于7μA-8μA区间内，是双片IC（车门区驱动IC+电源管理IC）拓扑结构的二分之一。对于车门应用，在通过外部接触设备监测或通信接口（LIN、HS-CAN或支持选择性唤醒的HS-CAN）物理层唤醒稳压器之前，控制器不给微控制器（MCU）供电。
意法半导体的新车门区控制器不仅在一个封装内整合了以前的车门区执行机构驱动器芯片和电源管理芯片，还增加了一些新功能，以更好地服务新的汽车发展趋势。
为支持自动LED占空比补偿功能，意法半导体的新车门区控制器实现了一个新的IP模块，内部补偿算法利用电源电压测量值修正LED驱动器功率级的占空比，确保LED在ECU电源电压波动时也能保持均匀的亮度。开发者可根据不同的负载灵活设置占空比补偿功能，使用不同的LED以及串联LED，从而节省外部微处理器的负荷，并最大限度地减少SPI的数据流量。
热群集概念是新控制器的另一个新特性，发生短路等事件时，该特性可单独禁用短路的输出通道，其它输出通道保持正常工作。
为了符合电动车窗安全操作的要求，新控制器还实现一个专用IP内核，在发生系统错误时，能够使车窗进入安全状态，避免车窗升降动作失控。根据安全要求，该IP内核与芯片其余部分之间有一个深沟槽隔离层，这是BCD8s技术的另一个有价值的特性。自偏置方法使该IP模块在电池没电时仍能正常工作。
L99DZ100系列产品支持当前最先进的车门电子应用，不过，随着汽车技术的发展，还将来还会涌现新的需求，例如，驱动更多的直流大功率电机。为此，意法半导体采用模块化方法开发这些芯片，可在新配置内整合更多的IP内核，升级扩展车门区控制系统。除车门应用外，新系列产品还将被用于其它汽车系统，以最优的方式驱动负载，例如，电动后备箱盖模块或天窗具有类似的系统要求。未来，专用ASSP也将进入这一细分市场。
