車載通信終端靜態(tài)電流分析

常 君，葉 丹，王 彬

（大連東軟智行科技有限公司，遼寧 大連 116085）

車載通信終端（Telematics BOX，簡稱T-BOX）是車聯(lián)網(wǎng)中的核心零部件，也是車載通信系統(tǒng)與外界通信的中心節(jié)點(diǎn)，主要完成車內(nèi)網(wǎng)與車外網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通信、車身數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、安全監(jiān)測(cè)、緊急通話等重要功能，可廣泛應(yīng)用于乘用車、新能源汽車及商用車等車型，應(yīng)用也越來越廣泛。T-BOX在車輛上供電取自蓄電池，過大的靜態(tài)電流（待機(jī)模式+睡眠模式下消耗的電流）可能會(huì)快速地消耗掉整車蓄電池的能量，減少車輛的靜態(tài)停放時(shí)間，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致蓄電池出現(xiàn)饋電現(xiàn)象，影響整車正常啟動(dòng)，長此以往會(huì)影響蓄電池的壽命，因此需要對(duì)T-BOX的靜態(tài)電流消耗嚴(yán)格管控。本文主要從研發(fā)設(shè)計(jì)角度詳細(xì)分析T-BOX靜態(tài)電流的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程。

1 T-BOX系統(tǒng)架構(gòu)

T-BOX屬于前裝產(chǎn)品，與整車同步設(shè)計(jì)。T-BOX系統(tǒng)內(nèi)部主要包括：4G通信模塊、MCU處理器、CAN總線、音頻處理電路、電源管理、接口電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片等電路，詳見系統(tǒng)框圖1。T-BOX系統(tǒng)工作時(shí)需要外圍組件與其連接，包含有天線（衛(wèi)星+移動(dòng)天線）、線束（主電源+USB）和附屬配件（KEY+MIC+SPK+LED）等。

圖1 T-BOX系統(tǒng)框圖

當(dāng)主機(jī)通電工作時(shí)，MCU作為核心處理器，處理實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的任務(wù)，主要負(fù)責(zé)與4G模組之間的數(shù)據(jù)通信、CAN報(bào)文收發(fā)處理、系統(tǒng)電源管理、車輛數(shù)據(jù)監(jiān)控等多種在線應(yīng)用功能。4G通信模塊主要完成與移動(dòng)基站之間的上下行數(shù)據(jù)傳輸功能、GNSS定位信息采集、eCALL功能、OTA程序升級(jí)等功能。

2 系統(tǒng)功能模式

T-BOX系統(tǒng)通常有工作、待機(jī)、睡眠3種運(yùn)行模式，不同模式下，啟用功能不同，耗電流不同。如表1所示，靜態(tài)電流通常指的是待機(jī)模式和睡眠模式下消耗的電流。

表1 功能模式

1）工作模式：車輛點(diǎn)火啟動(dòng)后，T-BOX設(shè)備所有功能模塊都要求正常運(yùn)行工作，可以執(zhí)行車輛數(shù)據(jù)采集、車輛定位、報(bào)警、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)热蝿?wù)，此階段耗電量最大；執(zhí)行完任務(wù)可以進(jìn)入到睡眠模式，也可以在收到休眠命令后，進(jìn)入待機(jī)模式。

2）待機(jī)模式：當(dāng)車輛熄火或收到總線休眠指令后，要求設(shè)備進(jìn)入待機(jī)模式，此時(shí)通信模塊（4G模組）、MCU、CAN等主要部分都要進(jìn)行模式切換，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)可支持KL15 ON、RTC、CAN網(wǎng)絡(luò)、車輛振動(dòng)（Gsensor）、電話、SMS、eCALL等喚醒條件切換到工作模式，同時(shí)也能夠執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、報(bào)警、eCALL等任務(wù)，此階段耗電量較低。

3）睡眠模式：當(dāng)設(shè)備執(zhí)行完任務(wù)或收到相關(guān)進(jìn)入睡眠條件命令后，設(shè)備進(jìn)入睡眠模式，在此模式下通信模塊將關(guān)閉，MCU、CAN處于休眠狀態(tài)，系統(tǒng)可支持KL15 ON、CAN網(wǎng)絡(luò)、eCALL喚醒、RTC喚醒等喚醒條件切換到工作模式，此狀態(tài)下耗電量降至最低。不同的模式之間轉(zhuǎn)換詳見圖2。

圖2 模式轉(zhuǎn)換

3 靜態(tài)電流目標(biāo)實(shí)現(xiàn)

為了降低整機(jī)靜態(tài)電流功耗，實(shí)現(xiàn)各個(gè)運(yùn)行模式的目標(biāo)，主要通過以下途徑。

1）合理電路設(shè)計(jì)：在電路支路設(shè)計(jì)上，合理選擇上下拉電阻，減少各個(gè)支路電流消耗。例如，使能引腳下拉電阻由4.7kΩ改為47kΩ，當(dāng)MCU輸出高電平3.3V時(shí)，電流可以節(jié)省約630μA。在合理需要上拉電阻的地方，由2.2kΩ改為10kΩ，可以節(jié)省約1.07mA。

2）合理配置模塊/IC工作模式：根據(jù)整機(jī)運(yùn)行功能需求，在正常工作模式下，各個(gè)模塊/IC通過程序配置成以全功率運(yùn)行，消耗電流最大，當(dāng)由工作模式切換到待機(jī)/睡眠模式時(shí)，工作電流降低。例如MCU，選用型號(hào)RH850 F1K系列，在整機(jī)正常工作模式下，通過軟件配置成RUN工作模式，實(shí)測(cè)電流典型為43mA，在待機(jī)和睡眠模式下，配置成DeepSTOP模式，工作電流典型為50μA。

3）關(guān)閉非工作單元電源使能：各單元塊的電源使能由MCU控制，根據(jù)不同工作模式需求，將非工作單元電源使能關(guān)閉。例如，在整機(jī)正常工作（eCALL功能啟動(dòng)）模式下，MIC+AMP工作，此時(shí)對(duì)MIC支路和AMP支路供電處于使能狀態(tài)，當(dāng)在待機(jī)模式下，將MIC+AMP支路電源關(guān)閉，可以節(jié)省大量的電流消耗。

4）正確配置MCU的輸出I/O口：對(duì)于MCU某些輸出引腳，軟件程序在正常模式下配置成輸出H（高）有效模式，在待機(jī)和睡眠模式下配置成L（低）輸出，能夠減少M(fèi)CU的I/O口電流消耗。當(dāng)某些I/O口，外部需要具有上拉電阻，則將MCU的輸出配置改為漏極開路輸出，避免設(shè)置成輸出低電平產(chǎn)生消耗電流。

通過以上幾種組合設(shè)計(jì)，能夠有效減少靜態(tài)電流消耗，同時(shí)針對(duì)靜態(tài)電流的驗(yàn)證和問題查找，需要認(rèn)真仔細(xì)，尤其在后期PCB板級(jí)調(diào)試時(shí)，需要對(duì)各個(gè)IC的每個(gè)引腳進(jìn)行認(rèn)真仔細(xì)的測(cè)試。實(shí)際測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)際測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語

靜態(tài)電流設(shè)計(jì)是T-BOX設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，為了滿足目標(biāo)需求，在產(chǎn)品選型設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該有所規(guī)劃，靜態(tài)電流越大，對(duì)蓄電池的容量消耗越大，車輛存放時(shí)間就越短。因此合理的架構(gòu)設(shè)計(jì)、有效的模式分配、低靜態(tài)功耗IC的選用、軟件的正確配置是有效的解決辦法。