精品文檔-下載后可編輯基于TLE8201的車門模塊設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

越來越多的車門供應(yīng)商按照模塊化結(jié)構(gòu)制造車門，各個(gè)汽車生產(chǎn)廠家車門中的多樣性成為生產(chǎn)廠家自己的創(chuàng)新。今天，世界上大約25%的轎車車門是按照模塊化結(jié)構(gòu)制造的。在車門模塊的主框架中首先要安裝到位的是車窗、車窗升降控制器、揚(yáng)聲器、電纜通道和車鎖等部件。這樣一來，整個(gè)車門模塊就分成了兩大區(qū)域，用德國車門制造業(yè)中的行話來講是：機(jī)區(qū)和電區(qū)。

TLE8201具有符合汽車應(yīng)用安全規(guī)范的短路與超溫保護(hù)功能和完備的診斷功能。而電流感應(yīng)輸出則能提升系統(tǒng)的整體性能。

圖1TLE8201方框圖

標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口不但能減少微控制器I/O線路的長度，而且還可靈活控制功率級，并提供完備的診斷功能。

TLE8201擁有兩個(gè)PWM輸入端，均為直接功率級控制輸入端，可增強(qiáng)PWM映射的靈活性。SPI寄存器中的信息定義將由PWM輸入端控制的功率級?？蓪WM功能進(jìn)行配置，多可支持八個(gè)功率晶體管。

該器件采用Power-SO封裝，配有一個(gè)大型散熱塊，因此具有良好的熱阻性能。引腳經(jīng)過優(yōu)化處理，可實(shí)現(xiàn)高效的PCB設(shè)計(jì)。TLE8201的應(yīng)用不但有利于節(jié)省PCB面積和節(jié)省成本，而且能增強(qiáng)系統(tǒng)質(zhì)量，并提高產(chǎn)量。

TLE8201應(yīng)用電路

圖2為車門控制模塊中的TLE8201應(yīng)用電路。

圖2應(yīng)用電路

電源

TLE8201擁有兩個(gè)電源輸入端：所有功率驅(qū)動器均與連接至汽車12V電源線的供電電壓Vs引腳相連。內(nèi)部邏輯電路部分則由一個(gè)獨(dú)立的5VVcc電壓供電。這樣，即使Vs發(fā)生短時(shí)停電，也可確保存儲于邏輯電路中的信息不受影響。

TLE8201要求配備外部反極性保護(hù)，它配有一個(gè)電荷泵輸出端，用于連接外部n通道邏輯電平MOSFET.該保護(hù)電路的連接方法如圖2所示，柵極電壓由引腳GO提供。

通過把INH輸入設(shè)置為"低",可將TLE8201置于低能耗模式。在休眠模式下，所有輸出晶體管均被關(guān)閉，SPI停止工作。在此模式下，總靜態(tài)電流的值僅為6μA（Vs和Vcc）。

SPI

SPI,是英語SerialPeripheralinterface的縮寫，顧名思義就是串行外圍設(shè)備接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。SPI接口主要應(yīng)用在EEPROM,FLASH,實(shí)時(shí)時(shí)鐘，AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間。SPI,是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡單易用的特性，現(xiàn)在越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議，比如AT91RM9200.

如圖3所示，16位SPI框架由一個(gè)可尋址塊、一個(gè)地址獨(dú)立塊和一個(gè)2位地址構(gòu)成，包括兩個(gè)控制寄存器和兩個(gè)診斷寄存器。地址獨(dú)立輸入部分用于一般性設(shè)置，地址獨(dú)立輸出部分則用來標(biāo)記錯(cuò)誤和記錄溫度信息。

圖3SPI結(jié)構(gòu)

PWM輸入

脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。

PWM-ing是TLE8201提供的一種非常靈活的功能。可通過兩種PWM模式配置對所需功率級進(jìn)行控制：將PWM1和PWM2引腳與微控制器的計(jì)時(shí)器通道相連，然后選擇所需HSsel位，以激活PWM功能。建議將PWM頻率設(shè)置為200Hz以下，以限度地減少開關(guān)損耗導(dǎo)致的功率消耗。

電流感應(yīng)

ISO（感應(yīng)輸出）引腳提供與所選功率輸出端流向GND的輸出電流成比例的電流。輸出端選擇通過SPI實(shí)現(xiàn)。

而感應(yīng)電流則由外部感應(yīng)電阻器R43轉(zhuǎn)換成電壓，并送至A/D變流器輸入端。

輸出級

輸出1-6為半橋，輸出7-11則是高邊開關(guān)。閂鎖電機(jī)和后視鏡折疊電機(jī)均可連接至輸出1、輸出2和輸出3.輸出2是兩個(gè)電機(jī)電流之和。兩個(gè)后視鏡定位電機(jī)連接至輸出4、輸出5和輸出6.高邊驅(qū)動器輸出7用于驅(qū)動后視鏡加熱器。輸出8和輸出9用于驅(qū)動5W車燈。輸出10可與輸出11相連，共同驅(qū)動10W車燈。

閂鎖控制

啟動

TLE8201的輸出1和輸出2均與閂鎖電機(jī)相連。車門控制模塊中的微控制器通過SPI與TLE8201進(jìn)行通訊。開啟電源后，門鎖狀態(tài)或者由車身控制模塊接收并傳送至車門控制模塊，或者由車門控制模塊通過LIN或CAN直接接收。車門或開關(guān)面板發(fā)出開關(guān)輸入請求，或者收到BCM發(fā)來的CAN/LIN消息時(shí)，就會啟動閂鎖電機(jī)。

圖4所示為閂鎖電機(jī)的啟動波形。通道1是流過閂鎖電機(jī)的電流。通道2和3為TLE8201中輸出1和輸出2的電壓輸出。未采用PWM軟啟動時(shí)，啟動突波電流可能達(dá)到2A.啟動后，電流會下降至0.8A左右。閂鎖完全閉合或打開時(shí)，若發(fā)生電機(jī)堵轉(zhuǎn)，則可執(zhí)行閂鎖電機(jī)自動停機(jī)。檢測電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，可通過TLE8201的ISO輸出端來測量電機(jī)電流；該輸出端與接地感應(yīng)電阻器R43相連，并通過保護(hù)電阻器R42與MCU模擬輸入端相連。

塊檢測標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法如下：

KILIS12=2000,R43=910ohm,根據(jù)波形可知，塊電流為IOUT=2.5A;然后，即可計(jì)算出塊檢測電壓：

塊檢測電壓（Vblock-detection）=IISO*R43=IOUT/KILIS12*R43=2.5A/2000*910V/A=1.1375V

檢測出塊電壓后，將HS1和HS2切換至"高"位，以使電機(jī)進(jìn)入續(xù)流模式。HS1和HS2均保持高位100毫秒。從L切換至H時(shí)，少將出現(xiàn)3微秒的空載時(shí)間，以確保不會發(fā)生開關(guān)傾斜（switchingslope）重疊現(xiàn)象，從而避免出現(xiàn)渦流（crosscurrent）。

續(xù)流過程中，會存在較小的電流，這是閂鎖電機(jī)的特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)造成的結(jié)果。閂鎖中有一個(gè)彈簧，用于保護(hù)閂鎖，使之免受損壞，否則，閂鎖會猛擊門鎖上部。

以下為普通DC電機(jī)的電壓計(jì)算公式：

其中，Vbat表示外部電壓；i表示電機(jī)電流；L表示電機(jī)感應(yīng)器；n表示電機(jī)速度；R表示內(nèi)部電機(jī)電阻。

當(dāng)電機(jī)幾乎呈勻速運(yùn)行時(shí)，Vbat=iR+K0n（如圖1所示）。需要指出，K0n表示電機(jī)的反電動勢。

當(dāng)電機(jī)開始續(xù)流時(shí)，

續(xù)流結(jié)束后，由于不存在電機(jī)電流（即不存在電機(jī)扭矩），彈簧會將閂鎖電機(jī)略推回一點(diǎn)。也就是說，閂鎖電機(jī)的轉(zhuǎn)速會從零變?yōu)樨?fù)值，從而產(chǎn)生正電流，通過電機(jī)。

圖4閂鎖啟動波形

保護(hù)與診斷

啟動狀態(tài)(ON-state)下，可通過橋輸出的低邊開關(guān)實(shí)現(xiàn)開啟負(fù)載檢測：當(dāng)通過低邊晶體管的電流低于參考電流，且IOCD處于啟動狀態(tài)的時(shí)間超過開啟負(fù)載檢測延時(shí)tdOC時(shí)，則會設(shè)定相應(yīng)的開啟負(fù)載診斷位。但是，輸出晶體管仍保持啟動狀態(tài)。開啟負(fù)載出錯(cuò)位被鎖定，并可通過SPI狀態(tài)寄存器復(fù)位或開電復(fù)位重新設(shè)置。

后視鏡折疊控制

正常運(yùn)行

后視鏡折疊電機(jī)由TLE8201的輸出2和輸出3驅(qū)動。由于各個(gè)半橋以串聯(lián)方式相連，而且通道電流也存在限制，因此只可驅(qū)動一個(gè)電機(jī)。所以只要閂鎖電機(jī)在運(yùn)行，就無法啟動后視鏡折疊輸出。

圖5所示為后視鏡折疊電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的波形。通道1是流過后視鏡折疊電機(jī)的電流。通道2是輸出3的電壓，通道3則是輸出2的電壓。根據(jù)該波形，啟動時(shí)突波電流的值是2.52A，而運(yùn)行過程中的額定電流則為0.4A。

圖5后視鏡折疊電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的波形

電機(jī)會保持運(yùn)行直至鎖定或者超過3秒鐘。因?yàn)楹笠曠R折疊電機(jī)采用特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)，所以當(dāng)電機(jī)被鎖定時(shí)就會出現(xiàn)開啟負(fù)載!由于鎖定過程中的電流會降至0A，因此電機(jī)無需續(xù)流。

短路保護(hù)

圖6顯示了TLE8201的短路保護(hù)行為。各通道的含義與圖5相同。在正常運(yùn)行過程中，輸出2(通道3)的電壓較高，輸出3(通道2)的電壓則較低。額定電流為0.4A，圖6中看起來似乎為0A。

當(dāng)電機(jī)端子短路，且電流超過輸出3(ISD34通常為4A)停機(jī)閾值ISD的時(shí)間超過停機(jī)延時(shí)tdSD時(shí)，輸出3的輸出晶體管會關(guān)閉，并設(shè)定相應(yīng)的診斷位。由于輸出2的短路停機(jī)閾值高于8A，所以輸出2的輸出晶體管會繼續(xù)運(yùn)行。因此，輸出3的電壓會增加至與輸出2電壓相等的水平。

延時(shí)過程中，電流值限制為輸出3的ISC(ISC34通常為6A)。延時(shí)相對較短(通常為25微秒)，以便減少設(shè)備短路時(shí)的能量消耗。這種設(shè)計(jì)能夠提供電機(jī)應(yīng)用中所需的高峰電流。在向SPI發(fā)送狀態(tài)寄存器復(fù)位指令或執(zhí)行開電復(fù)位之前，輸出級將保持關(guān)閉狀態(tài)并設(shè)定出錯(cuò)位。

圖6短路保護(hù)行為

后視鏡定位控制

采用兩個(gè)電機(jī)，輸出4連接至X電機(jī)，輸出5連接至兩個(gè)電機(jī)，輸出6則與Y電機(jī)相連。圖7所示為其中一個(gè)后視鏡定位電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的波形。

按下按鈕，就會激活某個(gè)狀態(tài)。當(dāng)后視鏡折疊電機(jī)處于激活狀態(tài)時(shí)，不能激活后視鏡X-Y輸出。此類輸出不具備PWM控制。啟動時(shí)的突波電流約為0.2A，而額定電流則為0.1A。雖然無需使用主動制動，但在后視鏡移動過后，高邊開關(guān)會在100毫秒的續(xù)流時(shí)間內(nèi)保持活動狀態(tài)。

圖7顯示了短路保護(hù)行為。輸出1-6所用的短路保護(hù)理論完全相同。差別在于短路停機(jī)電流閾值和短路電流值不同。

圖7X-后視鏡電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的波形

圖8短路保護(hù)行為

后視鏡除霜控制

PTC加熱器件由TLE8201輸出7驅(qū)動。超過固定的10秒開啟時(shí)間時(shí)，輸出由低頻(如10Hz)PWM控制，負(fù)載循環(huán)通常為40%。對PWM的控制則通過SPI由軟件實(shí)現(xiàn)。門鎖激活時(shí)，加熱器關(guān)閉，以降低通過TLE8201的總體電流。

車燈控制

正常運(yùn)行

門控車室照明燈和安全警報(bào)燈均由TLE8201輸出端10和11同步驅(qū)動。輸出端由200HzPWM(劇場燈光效果)在2秒內(nèi)接通/斷開。PWM則由PWM2輸入控制。

轉(zhuǎn)向信號燈(10w)由TLE8201輸出端8和9驅(qū)動。輸出由低頻(如1.5Hz)PWM控制，負(fù)載循環(huán)通常為50%。對PWM的控制則通過SPI由軟件實(shí)現(xiàn)。

接地保護(hù)輸出短路

接地保護(hù)輸出短路行為顯示出接通過程中發(fā)生的短路與開啟狀態(tài)下發(fā)生的短路之間的區(qū)別。

接通過程中的短路

在輸出的接通過程中，通過電流和電壓水平來檢測有無短路。如果開關(guān)(如輸出8)打開而且短路條件有效，電流會超過停機(jī)閾值ISD8(1.8A至3.5A)，而輸出端的電壓則會低于VSD8(1.5V至3.3V)。超過tdSDon8(125微秒至350微秒)時(shí)，輸出晶體管關(guān)閉，并設(shè)定相應(yīng)的診斷位。延時(shí)過程中，電流值限制為ISC8(通常為4.2A)，如圖9所示。通道1為輸出電流，通道2則為輸出電壓。

圖9接通過程中短路保護(hù)的波形

圖10接通過程中的短路保護(hù)

開啟狀態(tài)中的短路

若開關(guān)已打開并發(fā)生短路，且電流超過停機(jī)閾值ISD的時(shí)間超過停機(jī)延時(shí)tdSD(10微秒至60微秒)時(shí)，輸出晶體管會關(guān)閉，并設(shè)定相應(yīng)的診斷位。該機(jī)制與電壓Vout無關(guān)。見圖11。

圖11開啟狀態(tài)中的短路保護(hù)

開啟負(fù)載

圖12顯示了高邊開關(guān)在關(guān)閉狀態(tài)下的開啟負(fù)載。開啟負(fù)載檢測通過比較輸出電壓與閾值VOpL來實(shí)現(xiàn)。可通過OpLxON位來接通或斷開上拉電流。如果用某一輸出來驅(qū)動LED，則應(yīng)將OpLxON位設(shè)為“低”，即切斷上拉電流，因?yàn)橥ㄟ^上拉電流施加偏壓時(shí)，這些LED可能在關(guān)閉狀態(tài)下發(fā)光。

圖12關(guān)閉狀態(tài)設(shè)計(jì)中的開啟負(fù)載

結(jié)語

TLE8201是一種用于車門模塊的高度集成ASSP。適用于驅(qū)動典型前車門應(yīng)用中的所有負(fù)載，即中央門鎖、死鎖或后視鏡折疊、后視鏡定位、后視鏡除霜以及5W或10W車燈等。TLE8201提供多種保護(hù)方法和診斷功能，使其成為車門控制模塊中一種既靈活又可靠的設(shè)備。