車身域控制器低頻驅(qū)動(dòng)芯片失效研究

【摘" 要】車身域控制器作為整車電氣控制系統(tǒng)的核心模塊，承擔(dān)車輛電器功能、加密認(rèn)證、網(wǎng)絡(luò)通信等重要功能，其中無(wú)鑰匙進(jìn)入及啟動(dòng)系統(tǒng)作為車身域控制器的基礎(chǔ)功能尤為重要，其實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)進(jìn)入、離開車輛檢測(cè)、鑰匙定位、防盜認(rèn)證及低壓電控制等功能。鑰匙定位是實(shí)現(xiàn)這些功能的基礎(chǔ)，由低頻驅(qū)動(dòng)部分和鑰匙組成，其中低頻驅(qū)動(dòng)芯片和低頻天線構(gòu)成了低頻驅(qū)動(dòng)部分，一旦低頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)異常，車輛將無(wú)法啟動(dòng)?；诙髦瞧郑∟XP）NJJ29C2A9HN5芯片，文章重點(diǎn)對(duì)車身域控制器低頻驅(qū)動(dòng)芯片的失效進(jìn)行深入研究，并提出解決方案，增加車身域控制器硬件的可靠性。

【關(guān)鍵詞】域控制器；無(wú)鑰匙進(jìn)入及啟動(dòng)系統(tǒng)；低頻驅(qū)動(dòng)芯片；低頻天線

中圖分類號(hào)：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）08-0059-03

Research on the Failure of Low Frequency Drive Chips in Automotive Body Controllers

CHEN Jianqiang1，ZHAO Wei2

（1. Great Wall Motor Co.，Ltd.，Baoding 071000；2. Intelligent Platform Development Center Great Wall Motor Haval Technology Center，Baoding 071000，China）

【Abstract】As the core module of the vehicle electrical control system，the body controller domain undertakes important functions such as vehicle electrical functions，encryption authentication，network communication，etc. Among them，the keyless entry system is particularly important as the basic function of the body controller domain. PEPS realizes functions such as active entry and exit vehicle detection，key positioning，anti-theft authentication，and low-voltage control. Key positioning is the foundation for achieving these functions. Key positioning consists of a low-frequency driving part and a key，and the low-frequency driving chip and low-frequency antenna form the low-frequency driving part. Once the low-frequency driving system is abnormal，the vehicle will not be able to start. This article focuses on the NXP NJJ29C2A9HN5 chip and conducts in-depth research on the failure of the low-frequency drive chip in the body controller domain. Some solutions are proposed to increase the reliability of the hardware in the body controller domain.

【Key words】CEM；PEPS；low frequency drive chip；low frequency antenna

作者簡(jiǎn)介

陳建強(qiáng)（1980—），男，工程師，主要從事車身電子、車載網(wǎng)絡(luò)通信和混合動(dòng)力系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、車聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)運(yùn)營(yíng)、軟件分析與改進(jìn)研究工作。

1" 引言

目前市場(chǎng)上大部分車身域控制器CEM（Central Electronic Module）集成了PEPS（Passive Entry Passive Start，無(wú)鑰匙進(jìn)入及啟動(dòng)系統(tǒng)）功能，并且隨著隱藏式門把手的應(yīng)用，這些車型往往采用主動(dòng)進(jìn)入功能（Active Entry），這就增加了低頻天線LF（Low Frequency）的工作周期。CEM根據(jù)不同的功能或場(chǎng)景，按照一定的周期和時(shí)序驅(qū)動(dòng)LF發(fā)送125kHz的低頻信號(hào)，智能鑰匙被LF信號(hào)喚醒，通過(guò)LF信號(hào)中的ID識(shí)別匹配關(guān)系后[1]，發(fā)送高頻信號(hào)給CEM。該信號(hào)包含不同位置低頻天線的RSSI值（Received Signal Strength Indicator，場(chǎng)強(qiáng)指示器），一般多采用433.92MHz FSK調(diào)制模式。CEM根據(jù)不同位置低頻天線的RSSI數(shù)值識(shí)別鑰匙的具體位置，并對(duì)鑰匙的身份進(jìn)行安全認(rèn)證，安全認(rèn)證通過(guò)后，開始動(dòng)力系統(tǒng)的防盜認(rèn)證和電子轉(zhuǎn)向鎖解鎖動(dòng)作，最后進(jìn)入動(dòng)力可運(yùn)行狀態(tài)。PEPS功能硬件組成如圖1所示。

如果LF驅(qū)動(dòng)芯片損壞，PKE（Pemote Keyless Entry，遙控功能）將無(wú)法使用，即使通過(guò)遙控功能開啟車門，車輛啟動(dòng)時(shí)，無(wú)法驅(qū)動(dòng)LF天線激活鑰匙進(jìn)行啟動(dòng)安全認(rèn)證，CEM也無(wú)法識(shí)別鑰匙處于車內(nèi)區(qū)域（PS），所以用戶按下PEPS按鍵后，車輛是無(wú)法啟動(dòng)的。本文基于恩智浦的NJJ29C2A9HN5低頻驅(qū)動(dòng)芯片，對(duì)芯片典型的失效案例進(jìn)行分析，從芯片選型和裝配過(guò)程提出一些解決方案。

2" CEM LF天線驅(qū)動(dòng)模塊的組成

該項(xiàng)目車型采用5個(gè)LF天線，車內(nèi)2根天線，分別布置在副儀表臺(tái)和后排座椅下方，覆蓋車內(nèi)區(qū)域（PS）；兩側(cè)前門門把手處分別布置一根天線，覆蓋前門外側(cè)區(qū)域（PE）；后保險(xiǎn)杠中間部位布置一根天線，覆蓋保險(xiǎn)杠下部區(qū)域。一般通過(guò)軟件仿真和實(shí)車標(biāo)定，確保天線覆蓋內(nèi)部溢出不超過(guò)50mm，外部溢出不超過(guò)150mm[2]。CEM根據(jù)高頻信號(hào)中每根天線的RSSI，結(jié)合內(nèi)部的軟件算法及標(biāo)定閾值判定鑰匙所處的位置，如圖2所示。

CEM的LF驅(qū)動(dòng)芯片與MCU（TC399）采用SPI通信方式，MCU是Master Node，LF驅(qū)動(dòng)芯片是Slave Node。MCU通過(guò)SPI通信方式向LF天線驅(qū)動(dòng)芯片輸入命令，包括系統(tǒng)設(shè)置、天線驅(qū)動(dòng)參數(shù)配置、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。在沒(méi)有連接LF天線時(shí)，通過(guò)調(diào)試工具讀取SPI數(shù)據(jù)，MCU發(fā)送CMD_NOP指令后，LF驅(qū)動(dòng)芯片應(yīng)立即響應(yīng)RESP_GENERIC，如圖3所示，Response Data：C0 00 02 07 C0 18，通信數(shù)據(jù)解析見表1。

3" LF天線驅(qū)動(dòng)芯片故障分析

該車型量產(chǎn)后經(jīng)常有用戶反饋PKE功能失靈且無(wú)法啟動(dòng)車輛，對(duì)返回的故障件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)均為低頻驅(qū)動(dòng)天線不工作，通過(guò)診斷服務(wù)讀取CEM故障碼，未顯示LF天線驅(qū)動(dòng)回路相關(guān)故障，和實(shí)際故障表現(xiàn)不符合。一般情況下，如外部天線異常，LF天線驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)電路會(huì)診斷為相關(guān)故障，包括天線開路、內(nèi)部短路、外部短路、對(duì)電源短路、對(duì)地短路及驅(qū)動(dòng)芯片故障等，但實(shí)際CEM并未存儲(chǔ)任何DTC。檢查芯片外圍電路正常后，使用調(diào)試工具觀察LF驅(qū)動(dòng)芯片響應(yīng)MCU的情況，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障的CEM LF驅(qū)動(dòng)芯片均無(wú)應(yīng)答，可以判斷該芯片已經(jīng)損壞。

通過(guò)對(duì)LF驅(qū)動(dòng)芯片工作電流進(jìn)行分析，在12V VBAT條件下，故障樣品的電流僅為11μA，工作電流過(guò)低導(dǎo)致器件無(wú)法啟動(dòng)，因此無(wú)法進(jìn)入ERROR/IDLE模式。工作電流分析見表2。

委托供應(yīng)商對(duì)芯片內(nèi)部進(jìn)行分析，故障是由電源管理單元內(nèi)的供電模塊VDDP引起的。這種故障是由VDDP輸出晶體管的柵極-源極的泄漏導(dǎo)致。這種泄漏導(dǎo)致VDDP輸出晶體管的輸出電壓過(guò)低，造成器件無(wú)法成功啟動(dòng)。圖4顯示了VDDP輸出晶體管上的異常熱點(diǎn)，異常熱點(diǎn)表示該晶體管上的泄漏。

參照芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)分析，NJJ29C2A9HN5集成了DCDC Controller、電源管理模塊PM、LF Driver Supply、LF Antenna等模塊，如圖5所示。DCDC Controller控制外部的一個(gè)Boost電路，用以給LF Driver Supply模塊提供天線驅(qū)動(dòng)所需的能量。LF Antenna Driver模塊是LF天線驅(qū)動(dòng)模塊，根據(jù)MCU指令，按照特定的時(shí)序，驅(qū)動(dòng)所有或部分天線，每個(gè)天線驅(qū)動(dòng)通道都是一個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)電流驅(qū)動(dòng)外部天線產(chǎn)生125kHz低頻信號(hào)。PM模塊內(nèi)部集成了VDDP和VDDD Regulators，給數(shù)字電路部分供電，其中VDDD Regulators給主要數(shù)字電路部分供電，VDDP Regulators給部分內(nèi)核數(shù)字電路供電，故VDDP在CEM接通KL30后會(huì)一直工作。

分析車輛產(chǎn)線組裝過(guò)程工藝，車輛安裝過(guò)程中僅有2個(gè)前門安裝時(shí)，CEM帶電熱插拔操作，其他天線都是在蓄電池安裝前已連接好插接件。安裝車門時(shí)會(huì)首先連接車門線束，此時(shí)車門或操作員工攜帶的靜電會(huì)通過(guò)LF天線傳遞到CEM。正電荷通過(guò)LF Driver的Up Bridge CMOS管寄生二極管到達(dá)DCDC回路的儲(chǔ)能Cout電容后釋放，不會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生損傷。而當(dāng)靜電為負(fù)電荷時(shí)，與車身形成電位差，靜電荷通過(guò)LF Driver芯片的Down Bridge CMOS管寄生二極管到達(dá)車門，如果靜電能量很大，通過(guò)芯片的瞬間電流會(huì)很大，會(huì)造成VSS/VSSA產(chǎn)生地漂，導(dǎo)致內(nèi)部的VDDP-VSS或VDDD-VSS超過(guò)3.5V（最大電壓2.5V），最終導(dǎo)致PM進(jìn)入Latch-up狀態(tài)，此時(shí)VDDP Regulators更容易發(fā)生潛在損傷，如圖6所示。

Latch-up指CMOS晶片中在電源VDD和地線VSS之間由于寄生的PNP和NPN雙極性BJT相互影響而產(chǎn)生的低阻抗通路。以VDDP為例，根據(jù)LDO電路的特點(diǎn)，VDDP輸出穩(wěn)定在1.8V，ILatch_up的增加導(dǎo)致VDDP電壓下降，為保持VDDP恒定，基準(zhǔn)電壓Uref與取樣電壓Uin的差值增加，比較放大器輸出的驅(qū)動(dòng)電壓Gdrv增加，CMOS管壓降減小，從而使輸出電壓升高。當(dāng)ILatch_up=76mA，Gdrv會(huì)超出最大峰值4.5V，此時(shí)CMOS的功耗不斷上升，可能會(huì)觸發(fā)芯片過(guò)熱保護(hù)，如圖7所示。

因Main Digital Part或Digital Island發(fā)生了Latch Up，會(huì)導(dǎo)致通過(guò)Regulator的電流過(guò)大，尤其是VDDP Regulator在不斷開KL30的情況下無(wú)法恢復(fù)，如圖8所示。

分析芯片PM模塊VDDP Regulator的失效過(guò)程，如表3所示，在車門組裝過(guò)程中，靜電導(dǎo)致VDDP Regulator受到潛在損傷，在車輛使用過(guò)程中由潛在損傷突然過(guò)渡到立即損傷狀態(tài)，導(dǎo)致整個(gè)芯片功能失效。通過(guò)靜電試驗(yàn)，在CEM上電狀態(tài)下，對(duì)開路的LF天線回路進(jìn)行空氣放電試驗(yàn)，放電電壓達(dá)到-25kV時(shí)會(huì)徹底損壞LF驅(qū)動(dòng)芯片，損壞部位與圖4相同。

4" LF天線驅(qū)動(dòng)芯片損傷解決方案

1）優(yōu)化CEM軟件。因LF天線驅(qū)動(dòng)芯片帶電狀態(tài)下天線開路時(shí)耐靜電能力較差，當(dāng)沒(méi)有LF天線驅(qū)動(dòng)任務(wù)時(shí)，此時(shí)盡量保持芯片在Low Power狀態(tài)下，此時(shí)VDDD處在不工作狀態(tài)，VDDP的損壞概率會(huì)降低。故LF驅(qū)動(dòng)任務(wù)結(jié)束后，MCU通知LF驅(qū)動(dòng)芯片從IDLE立即切換到Low Power狀態(tài)，以降低VDDP損壞的風(fēng)險(xiǎn)，如圖9所示。

2）增加靜電消除措施。對(duì)不同材質(zhì)的門芯板進(jìn)行靜電測(cè)量，發(fā)現(xiàn)材料較硬的材質(zhì)攜帶靜電的概率非常高，而軟質(zhì)門芯板靜電相對(duì)較低，對(duì)車門合裝區(qū)的車門移動(dòng)工裝增加靜電釋放裝置，將車門門芯板上的靜電消除。同時(shí)將工裝操作把手改為帶靜電釋放功能的把手，分別消除車門和操作員工身體上的靜電，在連接車門與整車線束時(shí)，避免熱插拔靜電損傷低頻驅(qū)動(dòng)芯片。經(jīng)驗(yàn)證可以基本遏制該問(wèn)題。

3）硬件改進(jìn)。針對(duì)新開發(fā)的產(chǎn)品，采用抗靜電能力更強(qiáng)的Atmel ATA5291芯片，可以徹底解決熱插拔導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)芯片損壞問(wèn)題。

5" 結(jié)論

通過(guò)對(duì)恩智浦NJJ29C2A9HN5芯片的特性研究，分析了整車廠車門線束連接過(guò)程熱插拔時(shí)靜電對(duì)芯片的潛在損傷，分別制定了用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最終解決方案，積累了芯片失效分析的方法，提升了產(chǎn)品的適應(yīng)性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張茂和. 一種無(wú)鑰匙進(jìn)入和一鍵啟動(dòng)系統(tǒng)（PEPS）設(shè)計(jì)方案[J]. 機(jī)電技術(shù)，2015（2）：90-94.

[2] 王洪武，王文建，馬謙，等. 基于FEKO的整車PEPS低頻天線工作有效性分析[J]. 安全與電磁兼容，2014（5）：63-67.

（編輯" 楊凱麟）