基于智芯ASIC芯片用于汽車車窗控制相關功能介紹與實際電路設計的研究

摘 要：專用集成電路芯片（ASIC）是為特定工作場景和企業(yè)設計的集成電路，已經(jīng)成為集成電路發(fā)展的重要方向。智芯半導體科技有限公司研發(fā)的Z20M1343L型ASIC芯片首次應用于乘用車車窗控制系統(tǒng)；北京經(jīng)緯恒潤科技有限公司根據(jù)該芯片電子特性和一汽紅旗汽車提供的功能需求將智芯ASIC芯片用于門控制器（DCU）車窗驅(qū)動控制電路。經(jīng)過理論和試驗驗證，Z20M1343L型ASIC芯片可以滿足乘用車控制器設計要求，性能可靠。

關鍵詞：ASIC芯片 乘用車控制器 門控制器 車窗驅(qū)動電路

ASIC（Application Specific Integrated Circuit）芯片是為專門目的而設計的集成電路[1-5]。隨著集成電路技術的快速發(fā)展，早先的通用控制驅(qū)動芯片由于功能繁多導致制造成本高昂，對一些特殊應用領域和成本控制要求較高的企業(yè)而言出現(xiàn)了功能冗余的問題；所以為了滿足不同行業(yè)的需求，ASIC芯片應運而生，并且逐步成為芯片設計的新方向。

本文將對智芯半導體科技有限公司研發(fā)的Z20M1343L型芯片與汽車車窗控制相關的功能進行介紹，同時結合工信部下屬一汽紅旗汽車有限公司、智芯半導體科技有限公司和北京經(jīng)緯恒潤科技股份有限公司聯(lián)合開發(fā)的DCU（Door Contral Unit，門控制單元）中車窗控制電路介紹Z20M1343L在車窗控制系統(tǒng)方面的硬件電路設計思路。

1 智芯ASIC芯片功能介紹

智芯半導體科技有限公司（以下簡稱“智芯”）研發(fā)的Z20M1343L是車規(guī)級芯片，符合AEC-Q100標準。該芯片主要具備與車窗控制有關的功能有：（1）支持3個外部半橋驅(qū)動的柵極控制器；（2）集成內(nèi)部電荷泵；（3）支持外部H橋驅(qū)動電路相關診斷。

智芯ASIC芯片的H橋驅(qū)動器和電荷泵對應的系統(tǒng)框圖如圖1所示。以下將對相關功能進行介紹。

1.1 智芯ASIC芯片的外部H橋驅(qū)動電路所用的電荷泵（Charge Pump）

由圖一可知，ASIC芯片的輸出管腳VCP作用于外部H橋柵極驅(qū)動電路的高邊MOSET（以下簡稱MOS）的柵極驅(qū)動器。這樣做的原因是外部H橋驅(qū)動電路的控制開關所使用的為NMOS，在實際電路設計時：ASIC芯片的VS（內(nèi)部驅(qū)動電路供電輸入管腳）連接電路板的UB_Filter（功率電，可以實現(xiàn)大電流輸出）；NOMS的D極（漏極）也連接在電路板的UB_Filter，S極（源極）連接電路板對外輸出接插件端；當MOS打開時，由于MOS的導通電阻RDS（ON）很小（一般為毫歐級），所以在MOS上的壓降近似可以忽略，在MOS的S極輸出電壓約等于UB_Filter電壓；如果沒有電荷泵的存在，則高邊MOS的柵極驅(qū)動器輸出電壓最大為UB_Filter電壓，導致高邊MOS的Vgs（VG-VS）電壓為0V，不能達到NOMS的開啟閾值VGS（th），NMOS不能正常開啟。電荷泵的作用是通過自身內(nèi)部升壓電路將VS管腳輸入的UB_Filter電壓升高后作用于高邊MOS的柵極驅(qū)動器，使得高邊MOS的Vgs高于MOS的開啟閾值，保證MOS可以正常打開。

1.2 智芯ASIC芯片的外部功率電監(jiān)測電壓輸入管腳VDH

智芯ASIC芯片對外部H橋驅(qū)動具有OFF（驅(qū)動停止）狀態(tài)下的開路診斷功能和ON（驅(qū)動進行）狀態(tài)下的MOS過流診斷功能。ON狀態(tài)時檢測外部H橋驅(qū)動電路過流的檢測機制為：高邊MOS的輸出端（高邊MOS的源極）短地時，由于此時UB_Filter功率電和板端GND之間的阻抗僅為MOS的導通電阻，所以理論通過高邊MOSFET的電流為無窮大，高邊MOS的D極和S極之間的電壓會比正常驅(qū)動時升高，芯片通過檢測高邊MOS在ON狀態(tài)時的VDS判斷相應MOSFET有過流情況發(fā)生。而高邊MOS的D極電壓（即UB_Filter）由VDH管腳輸入芯片，由內(nèi)部電路輸入監(jiān)測電路所用運放的正向輸入端，運放的反向輸入端連接高邊MOS的S極，當高邊MOS的VDS超限即VVDH-VSHx的電壓超過設置閾值時運放輸出的信號電壓值超過檢測閾值，芯片判定為高邊MOS發(fā)生過流情況。

1.3 智芯ASIC芯片的ON狀態(tài)過流診斷功能

在介紹芯片的VDH管腳時已經(jīng)對ON狀態(tài)下高邊MOS的過流診斷機制進行了介紹，現(xiàn)介紹低邊MOS的過流診斷機制：低邊MOS的D極連接ASIC芯片的SHx，而S極連接芯片的SLx管腳：芯片內(nèi)部SHx管腳連接低邊MOS過流監(jiān)測運放的正向輸入端；SLx連接低邊MOS過流監(jiān)測運放的反向輸入端，同時連接板端GND；當?shù)瓦匨OS的輸出接插件（對應低邊MOS的D極）短路到電路板供電電源時，由于流經(jīng)低邊MOS的電流比正常驅(qū)動時增大，所以低邊MOS的VDS電壓增大；此時低邊MOS過流監(jiān)測運放的輸出電壓超過過流檢測閾值，芯片判斷為低邊MOS過流。

2 智芯ASIC芯片外圍電路設計參考因素

2.1 智芯ASIC芯片柵極驅(qū)動器的Blanking time和Filter time

根據(jù)本文之前的介紹，ASIC芯片具有外部H橋驅(qū)動電路ON狀態(tài)下MOS的過流診斷功能，從而避免發(fā)生短路情況MOS過大電流溫度升高燒毀MOS。由于MOS管的開啟速度相對其他器件較慢，所以MOS管的開啟時間不能忽略。常用評估MOS管開啟時間的計算公式如下：

智芯ASIC芯片提供了可以通過軟件設置的Blanking time和Filter time。Blanking time可以理解為從芯片開始驅(qū)動外部MOS時刻開始，到Blanking time結束時間段內(nèi)芯片不做任何診斷功能，這段時間內(nèi)可以認為是“空白”時間；Filter time可以理解為當MOS兩端的Vds電壓超限后芯片并不是馬上判定為過流情況發(fā)生，而是要依據(jù)檢測電壓持續(xù)超過限值達到Filter time后才判定為過流。在配置Blanking time值時，Blanking time要接近并略大于MOS的開啟時間（實測值）。

2.2 車窗控制開關所用MOSFET的導通電阻[RDS（ON）]

MOS在導通時其內(nèi)阻不可忽略，該阻值一般為mΩ級。H橋電路在工作時流經(jīng)MOS的電流為幾安培或者幾十安培，同時MOS的熱阻（RθJA）比較高，所以MOS持續(xù)打開時升溫需要重視[6]，避免溫升超過MOS的結溫范圍TJ導致MOS燒毀。一般評估MOS的溫升情況是否符合要求的計算公式如下：

式中：Imax——需求中流經(jīng)MOS的最大電流值；

T0——需求中要求系統(tǒng)工作最高環(huán)境溫度；

RDS（ON） ——環(huán)境溫度為T0時MOS的導通電阻；

RθJA——MOS的熱阻；

TJmax——MOS結溫的最大值；

以上是智芯ASIC芯片車窗驅(qū)動控制相關電路設計時的重點考慮因素。

3 車窗驅(qū)動控制電路設計

實際車窗驅(qū)動控制電路的系統(tǒng)框圖如圖2所示。具體由車窗驅(qū)動電路、工作電流回采電路組成。其中車窗驅(qū)動電路采用H橋驅(qū)動電路，用N溝道MOSFET做開關管，具體實現(xiàn)的功能為：（1）控制車窗電機的正向/反向轉(zhuǎn)動；（2）在H橋驅(qū)動電路做PWM型信號輸出時實現(xiàn)車窗電機的續(xù)流動作避免電機損傷。工作電流回采電路通過采樣電阻將車窗驅(qū)動電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，為方便后續(xù)MCU采集運算，通過后續(xù)運算放大器放大后輸入MCU的AD采集端口。

H橋電路實際工作時電流流動方向如圖3所示，在做續(xù)流動作時電機電流流通路徑如示意圖如圖4所示。

3.1 H橋電路控制電機的正向/反向轉(zhuǎn)動

紅旗ASIC芯片國產(chǎn)化項目所用H橋驅(qū)動控制電路外部開關管采用的是NMOS。結合圖3中流過電機的電流方向介紹H橋電路控制電機轉(zhuǎn)動方向的原理。以電機順時針轉(zhuǎn)動為例：此時，智芯ASIC芯片的外部H橋柵極驅(qū)動器控制GH1和GL2對應的控制管腳輸出電壓拉高，對應的NMOS管Q1和Q4打開；同時智芯ASIC芯片的外部H橋柵極驅(qū)動器控制GH2和GL1對應的控制管腳輸出電壓拉低，對應的NMOS管Q2和Q3關閉。這樣電路板上的功率電通過MOS管Q1、車窗驅(qū)動電機M和MOS管Q4回到板端GND，從而形成供電回路；電流順時針流過電機從而使電機轉(zhuǎn)動。當需要車窗控制電路輸出PWM型控制信號時，智芯ASIC芯片將要求的PWM波形輸入MOS管Q1的GH1管腳，從而使MOS管Q1的輸出驅(qū)動信號為PWM；同時智芯ASIC芯片控制GL2電壓為常高，保證低邊MOS管Q4一直保持打開狀態(tài)；這樣就能使H橋的輸出驅(qū)動信號為PWM形式。當需要控制車窗電機逆時針轉(zhuǎn)動時，驅(qū)動原理與順時針時相同，只需改為：將MOS管Q2和Q3打開，Q1和Q4關閉即可。

3.2 H橋電路輸出PWM驅(qū)動信號時的續(xù)流動作

在實車控制車窗玻璃升降過程中，有要求車窗控制電路做PWM信號輸出的要求。在做PWM信號輸出時，會有高邊MOS關閉的情況（同樣以車窗電機順時針轉(zhuǎn)動為例）：此時，如果對應的低邊MOS關閉，由于電機是感性負載，即具有流過“電感”的電流不能突變的特性，電機內(nèi)部會有一個大電流不能釋放，而是以電機發(fā)熱的形式消耗，導致有電機燒毀的風險。所以需要有高邊MOS關閉時的續(xù)流動作：即當高邊MOS管Q1關閉時，低邊MOS管Q4保持打開狀態(tài)，同時打開MOS管Q3。這樣做的目的是：電機中的電流可以通過MOS管Q4回到板端GND，板端GND連接在一起，電流通過走線回到MOS管Q3連接的GND，經(jīng)過MOS管Q3后回到電機另一端，從而形成電機電流泄放路徑，電機由于感性特性儲存的能量以電流的形式通過電機自己緩慢消耗，避免電機損毀。

雖然MOS管在生產(chǎn)過程中由于工藝特性會有體二極管，在NMOS中該體二極管的導通方向是從MOS的S極（源極）至D極（漏極）；雖然也可以允許電流通過，但是這樣做續(xù)流的風險是該體二極管的過流能力小，如果電機的工作電流大，用體二極管續(xù)流時有燒毀體二極管的風險，所以采用直接打開MOS的方式做續(xù)流。

3.3 車窗電流回采電路

車窗電機驅(qū)動過程中，需要采集車窗電機的電流信號用于車窗玻璃位置和堵轉(zhuǎn)電流檢測。所以在電路設計時通過采樣電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號通過MCU進行檢測。在電路中，采樣電阻被放置在H橋低邊MOS與板端GND之間，這樣做的目的是既可以監(jiān)測電機正常工作時的電流值，也可以兼顧監(jiān)測續(xù)流時的電流值。

在電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號后，為提高對流經(jīng)車窗電流的檢測精度，通過運放算放大芯片將初始電壓信號做適當放大。由于運放芯片存在“Offset Voltage”（失調(diào)電壓），該失調(diào)電壓值可能會導致在沒有電流流經(jīng)采樣電阻時MCU采集到的電壓為負值，超出MCU的AD檢測范圍；所以為避免Offset Voltage的影響，在運放芯片的信號輸入端設置有上拉電壓，從而抵消失調(diào)電壓的影響。

4 驗證結果

目前，北京經(jīng)緯恒科技有限公司基于智芯ASIC芯片研發(fā)的用于一汽紅旗某車型的門控制器電路已經(jīng)完成理論設計驗證和硬件電路測試。相關器件選型和ASIC芯相關寄存器參數(shù)設置滿足紅旗汽車目標車型應用需要。

5 結語

本文所述項目是智芯ASIC芯片首次應用于乘用車車窗控制電路，經(jīng)過測試驗證，該型國產(chǎn)化芯片滿足車規(guī)級芯片的應用要求。智芯ASIC芯片的設計應用，進一步增加了芯片技術國產(chǎn)化的信心，為芯片全國產(chǎn)化的目標注入了積極動力。

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