一种基于混合信号技术的汽车电子单芯片设计

随着汽车部件电子化程度的不断提高，汽车工程师们正积极地寻求车辆系统中的先进控制和接口技术解决方案。目前，汽车系统中用来嵌入这些功能单元的空间和能源十分有限。汽车工程师们正借助于新颖的高压混合信号技术将复杂的——截至目前还不兼容的元件功能集成到一块芯片上。

现在，应用与42V车载电压兼容的I3T高电压技术已经可以将复杂的数字电路(如传感器)、嵌入式微处理器以及功率电路(如激励源或开关驱动器)集成到一起。

LIN总线系统

由于其相对较低的造价,LIN总线正被广泛应用于汽车的分布式电气控制系统中,如控制电动车窗、调节后视镜和车前灯等部位的步进马达和直流电源,或管理传感器采集到的关于气温或座位位置的信息等。LIN总线的传输字节高达20kbps。基于单主节点、多个从节点的结构,通常,从节点安装在收发器、微控制器、传感器的接口或由分立元件组成的激励驱动器的周围。最近研制出了一种带有LIN总线异步收发装置(UART)的微控制器,这种微控制器可同集成有其它从节点模块(如LIN总线收发器、电压调节器、看门狗定时器、激励驱动器和传感器接口)的附件一起配套使用。目前,AMI半导体(AMIS)公司利用混合信号技术将关键的从节点模块全部集成在了一个功能专一、功耗低、符合标准IP模块的芯片上,将LIN总线的发展又推进了一步。该方案的特点有：

集成RC振荡器,误差≤15%;

专用IP模块(如DC或微型步进马达驱动器);

遵守LIN总线V1.3协议;

传输速率高达20kbps(特殊的结构设计);

低频收发;

睡眠/旁路模式中的低电流损耗;

满足潜在的市场需求。

AMIS的方案提供了应用层和数据链路层需要的所有主要功能模块。这些功能模块可以用VHDL代码编程、用AMIS开发板评估,下文将对它们作简要的介绍。

带有数字滤波器的采样模块

该模块从接收器中采集信号,并将结果数据流通过数字滤波器,以除掉由于LIN总线信号的衰减可能造成的伪传输。因此,该模块提高了LIN协议在恶劣环境中应用的性能,并最大程度上减少了同步和数据采样中的问题。

同步机

同步机模块从同步域中提取所需的信息,以决定编码器和解码器的准确采样速率。该模块具有内部晶振,并采用了一种可将传统的UART技术中偶尔发生的舍/入误差减到最小的技术。同步机的主要优点在于能用较低的时钟频率来执行LIN协议。例如,可以使用一个250KHz的主时钟及15%的容差来获得精确无误的通讯。另外,AMIS的方案实现了占空比较大的变化范围。典型的UART在晶振零误差的情况下能实现占空比在33~66%间的变化。然而,运用AMIS解决方案可实现占空比在12~88%间的变化,并能完全适应晶振的误差。在对物理层参数提供了较大容差的同时,也提高了对占空比影响较大的电磁兼容性。

标识符滤波器及其动态管理

主节点在系统运行的初始及运行过程中依据需要发布不同的从指令标识符。为此,从节点要包含一定数目的寄存器。ROM指令数阵列指的是从节点中执行的不同指令,在RAM或EEPROM中含有相应的标识符。地址寄存器模块识别同一LIN总线上的不同从节点,而第二ROM阵列是为不同的应用和执行过程识别不同的从节点。标识符滤波器依据分配的标识符以决定指令的执行与否,若标识符存在于队列中,则执行该指令,否则不执行。

纠错

错误识别模块处于数据链路层,而纠错却是在应用层执行。因此,由嵌入式微控制器在软件中定义误差量。应用层中的纠错模块包含一个状态寄存器,每一种错误都有一个对应的错误标志位,并由该标志位向微处理器的内核产生一个中断请求。错误标志可通过对状态寄存器执行读操作来清除。每次错误直接中断通讯,从而导致一个位错误以停止发送字节。进而这一帧信息被忽略,从节点等待下一个中断域。

帧缓冲器

帧缓冲器是将送给微处理器内核的中断减到最小的另一个途径。它与标识符滤波器配合使用,可将中断的数量减到每帧一次。该缓冲器中含17个字节(一个标识符、八个发送字节、八个接收字节)。

内核/状态机及应用接口

根据需要,AMIS可提供不同的内核。内核与LIN控制器间通过中断信号和特殊功能寄存器(SFR)实现连接,LIN控制器可看作是SFR总线上的一个外围器件。除了这些LIN总线特点外,与同类半导体处理技术平台一样,AMIS开发了一个广泛的IP模块库,包括贰⑵和SAR ADC模块、输出电流可达0.3A的延时触发器及输出电流达3A的H桥。当然,运用从节点只是整个功能中的一部分,通过给它们提供足够功率以将它们集成在当今汽车中是汽车电气工程师的下一个重要挑战。

42V电源技术方案

一个理想的汽车电源方案中,电源等级将会从传统的12V电池电压转换成42V电源系统。而在42V系统中,电源等级还将会不断地升高。例如,系统整个寿命周期中的最大工作电压设定在50V,如果存在着8V最大动态过电压,电源电压就会达到58V。增加一个12V的外部驱动负荷泵,将会使系统的电压需求达到70V,再增加一个ESD保护窗,系统电压将达到80V。而且汽车的半导体器件不仅要承受较高的电压,同时还必须具备足够的鲁棒性以满足其苛刻的运行环境,比如,应满足运行温度在-40℃~+200℃范围的需求。到目前为止,承受较高电压和满足苛刻运行条件的需求是42V汽车电子系统应用智能SoC技术的重大障碍。

AMI半导体的I3T80是一种基于 0.35mm CMOS工艺的80V电源智能模块集成技术。满足42V汽车系统恶劣的运行条件。由此技术开发出的设备包括电机控制驱动器、DC-DC变换器、具有带宽滤波器的高精度模拟电路以及ADC和DAC等。而且I3T80能够嵌入集成总计超过150000个门电路,其通信协议模块包括PLL、USB、总线协议控制器、CAN和LIN通信控制器。除此之外,它还提供了ROM和RAM存储器。

结语

在新型汽车电子应用中,随着电子部件不断地增加, 汽车设计者们正在寻求一种合理的解决方案。这样,高集成度、高可靠性SoC解决方案应运而生。这种解决方案技术要求能够简化执行步骤,减少与不同电子系统之间的控制和接口成本。AMIS的高电压、混合信号技术满足了这种需要。它把半导体解决方案与专用IP模块结合在一起,能够满足任何标准接口通信总线 (LIN、CAN)节点应用,同时与42V电压等级方案兼容。