2017/11/30

多開關偵測介面:實現更小型、更高效設計的整合功能

作者:John Griffith

作為汽車的電子控制裝置,汽車車身控制模組(BCMS)可以控制與汽車舒適性、便利性和照明等相關的多種功能,包括門鎖、車窗、警報聲、關閉感測器、內飾和外飾照明、雨刷和方向燈。如圖1所示,BCM 可監控不同的驅動開關並根據相應的車內負載控制功率。

圖 1:BCM 原理圖

一款典型的 BCM 會包含一個處理汽車 12V 電池驅動器開關狀態的微控制器。傳統上採用電阻、電容和二極體等離散式被動零組件透過介面電路將訊號傳送至微控制器。您必須細心保護微控制器以避免受到電池電壓、靜電放電(ESD)、瞬態和反向電池的影響。此外,您需要為偏壓開關輸入提供濕潤電流(wetting currents)並確保開關接觸點狀態良好。

圖 2 所示的實際案例闡述了如何處理外部接地開關輸入。電容 C2 分流 ESD 和瞬態能量;二極體 D1 阻斷高壓;電阻 R4 設置開關處的濕潤電流;電阻 R4 與 R8 共同分壓;電阻 R1 通過 R3 電晶體 Q1 和 Q2,電容 C1 以及通用的輸入/輸出(GPIO)針腳使用或禁用濕潤電流。

圖 2:離散式濕潤電流實作

該離散方法具備三個注意事項:

  • 微控制器以及微控制器電源電壓必須保持主動式才能使濕潤電流處於主動狀態。這會嚴重影響模組在低功耗(切斷)模式下消耗的電流最小值。
  • 此解決方案需要大量的被動式零組件,如:用於製造濕潤電流的電晶體和電阻,以及適用於每個開關輸入的二極體,電阻和電容等將使得整體解決方案的尺寸變大。
  • 濕潤電流將隨著電池電壓變化;比如如果電池電壓下降 30% 時,濕潤電流也會下降 30%。

多開關偵測介面(MSDI)是一種可處理各種問題的裝置,可以匯集電池連接和接地連接的開關狀態訊息,並通過序列周邊設備介面(SPI)對微處理器平台進行通訊支援。

實現尺寸更小、空間利用率更高解決方案的特性

MSDI 裝置整合了可調節的濕潤電流,能夠控制電池連接及接地連接的外部開關輸入灌電流和拉電流。由於這些電流由內部設備監測控制,因此它們與大範圍的電池輸入電壓保持一致。MSDI 開關輸入還專為處理負載突降和反向電池電壓而設計,減少對離散阻斷二極體和濕潤電流零組件的需求,從而更多地節省電路板區域和成本。如圖 2 所示,離散的 24 通道解決方案使用了 75 個電阻,25 個電容器,24 個二極體和 2 個外部電晶體。相較之下,TI 的 TIC12400-Q1 多開關偵測介面(MSDI)僅使用 24 個 IO 針腳電容器,5 個去耦電容,用於中斷輸出的單個電阻以及單個的 MSDI 裝置。

圖 3 顯示一對一比較了處理開關輸入的離散濕潤電流,反向阻斷和 ESD 的解決方案尺寸與汽車多開關偵測介面參考設計中利用到全部所需外部電路的 TIC12400-Q1 設備部分的尺寸。目前,具有 MSDI 參考設計的兩層電路板全方位解決方案的尺寸為 17.5mm X 18.8mm。

圖 3:TIC12400-Q1 解決方案尺寸

實現更高效率更低功耗模式的特點

如同上面所提及,為了監控低功耗模式下的外部開關,需要使微處理器保持通電狀態且處於主動狀態。這意味著微控制器平台的穩壓器也必須隨時保持主動狀態。這使得低功耗模式下每個系統具備更高的靜態電流。

MSDI 裝置直接使用汽車電池,而具備整合式低功耗輪詢模式使其能監控用戶所選的開關接觸,例如:TIC12400-Q1 具有低功耗輪詢模式與一個高壓開漏中斷輸出針腳,可以使穩壓器關注開關狀態的變化。這意味著您可以關閉模組中的其它電路,實現超低功耗睡眠模式,進而滿足原廠設備製造商(OEM)對睡眠模式日漸嚴苛的要求。

圖 4 顯示 TIC12400-Q1 處於低功耗輪詢模式時的示波器螢幕截圖。通道 1 顯示開路開關接觸的電壓,而通道 2 顯示裝置的電流消耗。

圖 4:具有開關監控功能的低功耗輪詢模式

如您如見,該裝置在等待開關接觸更改狀態時可以啟用濕潤電流,監控輸入電壓並重複地返回至低功耗模式。由於模塊中的所有其它電路被禁用,使得該模組的平均電流更低。

隨著 BCM 的功能逐年增多,如具有內置的濕潤電流,反向阻斷和 ESD 保護 MSDI 等智能裝置的附加功能將幫助實現更小的開關接觸監控解決方案。另外,由於低功耗模式對電流消耗的要求越來越高,內置低功耗輪詢模式的 TIC12400-Q1 使每個系統功率節省高達 98%。

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