某重型汽車方向盤LIN 開關(guān)故障分析

翟明磊， 趙掌柱， 安 旺， 李惠宇， 郭志龍， 成衛(wèi)毅， 黃 河

（陜西汽車集團股份有限公司技術(shù)中心， 陜西 西安 710075）

1 引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展， 人們對汽車的舒適性、 操縱性及安全性越來越重視。 目前汽車駕駛員在駕駛過程中已不是單純的駕駛行為， 越來越多的信息交互融入到汽車設(shè)計當(dāng)中。 多功能方向盤開關(guān)作為重要的人機交互界面融入了多媒體、 儀表以及定速巡航等功能的控制， 其本身也從最初的硬線模擬信號點對點控制演變?yōu)長IN通信控制的數(shù)字開關(guān)。 LIN通信技術(shù)的應(yīng)用能夠明顯地減少線束回路與插件的使用， 同時增加開關(guān)系統(tǒng)的拓展性； 其在控制整車成本、 質(zhì)量、 可靠性的基礎(chǔ)上極大地豐富方向盤開關(guān)功能。

2 LIN網(wǎng)絡(luò)及開關(guān)設(shè)計

本文涉及的某重型汽車開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓撲， 包括多功能方向盤開關(guān)、 門控開關(guān)及室內(nèi)照明開關(guān)等模塊。 這些模塊都作為車載某LIN網(wǎng)絡(luò)的從節(jié)點 （Slave Node） 采集車輛各種開關(guān)狀態(tài)， 通過LIN總線發(fā)送給主節(jié)點 （Master Node） 車身控制器 （BCM）。 BCM接收到駕駛員反饋的各種開關(guān)信息， 通過邏輯運算， 執(zhí)行各種車身電器控制動作， 例如多媒體、 儀表、 門窗等控制功能。 圖1為某LIN網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

圖1 某LIN網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

目前典型方向盤開關(guān)的硬件主要包括上下殼體、 導(dǎo)電橡膠墊、 防水結(jié)構(gòu)、 PCB電路板、 限位機構(gòu)及附件等。 在設(shè)計方向盤開關(guān)結(jié)構(gòu)過程中， 根據(jù)整車功能需求， 確定方向盤開關(guān)的控制功能需求、 信號輸入方式、 引腳數(shù)量及定義、 接插件選型等參數(shù)。 在LIN開關(guān)的PCB板中， 收發(fā)器是其最重要的部件， 是控制器與LIN總線之間的接口； 發(fā)送數(shù)據(jù)時收發(fā)器將MCU的TXD管腳輸入的發(fā)送數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為LIN總線信號； 接收數(shù)據(jù)時收發(fā)器檢測LIN總線的數(shù)據(jù)， 通過RXD管腳發(fā)送到MCU； 從而實現(xiàn)與主節(jié)點的信息交互。

本文涉及到的LIN 收發(fā)器為NXP （恩智浦半導(dǎo)體）TJA1020T， 具體參數(shù)如表1所示。 為滿足重型汽車24V系統(tǒng)的需求， 需通過分壓電路來滿足其電壓需求。

表1 快速參考數(shù)據(jù)

3 故障描述

某重卡車型試驗樣車在高原路試行車過程中， 出現(xiàn)多功能方向盤開關(guān)功能失效， 無法實現(xiàn)儀表、 多媒體等控制功能。

4 原因分析

通過診斷儀器讀取車輛故障信息并對故障現(xiàn)象與故障代碼進行關(guān)聯(lián)性分析， 該車顯示D20187 （BCM與方向盤開關(guān)通信超時故障） 當(dāng)前故障。 初步診斷原因是方向盤開關(guān)線束回路斷路或者開關(guān)本體故障。

4.1 線路排查

檢閱維修電路圖， 確認方向盤開關(guān)線束回路： BCM—主線束—時鐘彈簧—方向盤開關(guān)線束—開關(guān)本體； 用萬用表測量回路是否導(dǎo)通， 確認開關(guān)電源、 搭鐵、 LIN線回路正常； 同時更換新多功能方向盤開關(guān)后進行測試， 其多媒體、儀表等控制功能恢復(fù)正常。 排除了線束回路故障導(dǎo)致開關(guān)功能故障的因素。

4.2 開關(guān)故障排查

對故障件提供24V電， 同時連接LIN診斷工具和診斷電腦， 如圖2所示； 按下操作開關(guān)按鍵， 發(fā)現(xiàn)LIN診斷工具顯示紅色故障燈， 同時診斷軟件顯示報文故障； 初步判斷LIN開關(guān)控制器損壞導(dǎo)致功能故障。

圖2 診斷工具和診斷電腦

進一步檢測故障件PCB 板，發(fā)現(xiàn)LIN收發(fā)器附近存在明顯的燒蝕現(xiàn)象， 用萬用表測量其PIN腳， 發(fā)現(xiàn)PIN腳6存在搭鐵短路故障。 更換新LIN收發(fā)器后搭鐵短路故障消除， 明確故障點位于LIN收發(fā)器中。 針對拆下的LIN收發(fā)器， 使用萬用表檢測收發(fā)器發(fā)現(xiàn)PIN腳5、 PIN腳6存在短路， 查詢LIN收發(fā)器NXP TJA1020T使用手冊如表2所示， PIN腳5接搭鐵，與上文PIN腳6對搭鐵短路現(xiàn)象吻合。 綜上所述， 開關(guān)故障為LIN收發(fā)器燒蝕導(dǎo)致PIN腳6 （LIN輸出） 對搭鐵短路。

表2 引腳

對故障件LIN收發(fā)器芯片進一步檢測發(fā)現(xiàn)， 收發(fā)器芯片內(nèi)部MOS管Q1 （圖3） 失效短路， 可以明確故障LIN收發(fā)器芯片因受到瞬時高壓， 從而引起短路失效。 下一步需明確LIN收發(fā)器芯片受到瞬時高壓來源。

圖3 收發(fā)器芯片內(nèi)部MOS管Q

根據(jù)上文分析并查詢開關(guān)PCB板電路圖， 初步分析瞬時高壓來源有以下兩點： ①LIN收發(fā)器芯片V電源輸入端瞬時高壓； ②LIN收發(fā)器芯片LIN總線回路端瞬時高壓。

LIN收發(fā)器芯片V電源輸入端瞬時高壓： LIN收發(fā)器芯片V的供電分壓電路如圖4所示， 電源分壓回路中有TVS管、 電容、 電阻保護。 TVS管是一種二極管形式的高效能保護器件， 當(dāng)TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時， 它能以10的負12次方秒量級的速度， 將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗?吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率， 使兩極間的電壓鉗在一個預(yù)定范圍值， 從而有效地保護電子線路中的精密元器件免受各種浪涌脈沖的沖擊。 經(jīng)查詢本開關(guān)使用的TVS管型號為SMBJ33A， 其鉗位電壓范圍36～40.6V。 查詢LIN收發(fā)器芯片NXP TJA1020T使用手冊， 其最大承受瞬時電壓V為40V。 綜上所述， 選擇的TVS管的最大鉗位電壓大于LIN收發(fā)器的最大電壓值， 因此LIN收發(fā)器芯片存在燒蝕的風(fēng)險。

圖4 LIN收發(fā)器芯片VBAT的供電分壓電路

LIN總線回路端瞬時高壓： 收發(fā)器LIN總線端電路圖如圖5所示， 收發(fā)器芯片LIN總線回路中只有電容保護， 在受到脈沖電壓影響時， 無法保證回路電壓保持在LIN控制器芯片Vtrt （LIN） 范圍-40～+150V內(nèi)。 同時查閱LIN總線主節(jié)點BCM硬件電路中同樣無TVS管保護。 綜上所述， LIN總線回路存在受到脈沖電壓影響， 導(dǎo)致LIN控制器芯片燒蝕的風(fēng)險。

圖5 收發(fā)器LIN總線端電路圖

5 整改措施及驗證

1） 故障原因： 綜上所述， 故障原因為： ①LIN收發(fā)器芯片電源輸入電路選擇TVS規(guī)格超出芯片最大承受V； ②LIN總線回路主/從節(jié)點電路設(shè)計電路保護不足。

2） 整改措施： ①LIN收發(fā)器芯片V電源輸入端電路中更 換TVS 管， 型 號 為SMBJ30A， 其 鉗 位 電 壓 范 圍33.3 ～36.8V， 滿足設(shè)計要求的供電回路瞬時電壓值小于LIN收發(fā)器芯片最大承受電壓V40V； ②在LIN總線端增加型號為SMBJ30A的TVS管保護， 收發(fā)器芯片Vtrt （LIN） 范 圍-40 ～+150V，其可以滿足電路中LIN收發(fā)器芯片保護的需求。

3） 效果驗證： ①對整改樣件進行靜放電、 傳導(dǎo)耦合/瞬態(tài)抗干擾試驗， 試驗結(jié)果表明， 其狀態(tài)滿足設(shè)計要求； ②整改樣件進行實車1萬公里高原試驗， 試驗過程各項功能正常， 滿足設(shè)計需求。

6 總結(jié)

在本案例中， 通過對故障現(xiàn)象所涉及系統(tǒng)由外至內(nèi)的分析， 逐步找出LIN開關(guān)單件故障原因及其背后隱藏的設(shè)計缺陷， 為后續(xù)此類故障的排查與LIN開關(guān)設(shè)計提供了參考，具有一定的借鑒價值。 同時也提示我們在進行汽車電路設(shè)計過程中要時刻意識到設(shè)計校驗與試驗的重要價值。