BCM硬體設計的平台化和半導體化

作者：蘇謝祖

1. 前言

BCM是車身（包括24V商用車和12V乘用車）電子的重要內容，BCM是Body Control Module的縮寫。主要任務之一是燈光控制，包括前燈、側燈、尾燈和室內燈，以及控制一些加熱附件、雨刮繼電器等。另外可選的任務是包含網關功能，處理整車通訊信息。本文主要討論BCM系統的硬體設計，設計的原則是根據負載特性選擇不同的驅動方式，達到控制相關負載的目的。此外，本文對功率損耗分析、診斷等關鍵內容進行了詳細闡述。

2. 負載

負載是控制器的控制對象，在設計ECU之前，必須對控制對象的電氣特性有明確理解。了解電氣特性主要從負載類型和驅動類型兩方面考慮。

2.1 負載類型

負載是BCM模塊ECU的控制對象，主要有阻性、容性和感性負載三類，如圖1所示。

其中，需要說明的是阻性負載中除了具有加熱功能的電阻絲外，LED也屬於阻性負載。LED與傳統發光器件白熾燈不同， LED導通後，導通電壓和電流成線性關係，符合歐姆定律。由於LED本質是二極體，在導通之前，LED呈高阻狀態，從全範圍來看LED是包含兩個電阻狀態的阻性負載。白熾燈和氙燈是容性負載，但是在物理意義上，其燈絲仍是金屬材質，具有溫變電阻特性，表現為在低溫時電阻極小，高溫時電阻較大的特性，而白熾燈和氙燈在照明時溫度較高，此時的燈絲電阻為其額定工作電阻。

2.1.1 容性負載白熾燈

白熾燈和氙燈啟動過程中，由於燈絲冷態電阻極低，表現出來的啟動電流極大，這個電流類似於初始電壓很小或者為零時的電容充電電流，也稱這個電流為浪涌電流（Inrush Current）。由於白熾燈和氙燈的啟動過程類似電容充電，所以被稱為容性負載，如圖2(a)、(b)所示 。 燈負載是BCM模塊的主要負載，常見的法規強制要求燈負載如表1所示。

2.1.2 阻性負載LED

LED即發光二極體（light emitting diode），是一種可以將電能轉化為光能的具有二極體特性的半導體光源。LED基本結構為一塊電致發光的PN結，封裝在環氧樹脂中，通過針腳作為正負電極並起到支撐作用，有表貼和插件兩種封裝。發光二極體的結構主要由PN結晶元、電極和光學系統組成。當在電極上加上正向偏壓之後，使電子和空穴分別注入P區和N區，當非平衡少數載流子與多數載流子複合時，就會以輻射光子的形式將多餘的能量轉化為光能。其發光過程包括三個部分：正向偏壓下的載流子注入、複合輻射和光能傳輸。圖3所示是典型的LED結構圖。

LED發光顏色由材料決定，材料不一樣導致了不同的顏色。發光管發出白色是幾種顏色的混合，不能直接發出白光。理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發光區域的半導體材料禁帶寬度Ｅg有關，即：λ≈1240/Eg(mm) 式中Eg的單位為電子伏特(eV)。若能產生可見光(波長在380nm紫光～780nm紅光)，半導體材料的Eg應在3.26～1.63eV之間。比紅光波長長的光為紅外光。現在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發光二極體，但其中藍光二極體成本、價格很高，使用較少。LED的一個重要參數是正嚮導通電壓VF，這個值一般是定義在正嚮導通電流在20mA下。不同顏色LED的正嚮導通電壓不一樣，如圖4所示。表2總結了各種顏色LED的波長、正向電壓、材料和發光顏色間的關係。可以看出，波長越小，正向電壓越大。

實際應用中，除了考慮如圖5所示LED的伏安特性曲線還需考慮溫度特性，以歐司朗某純綠光LED為例，最大正向電流在溫度大於70攝氏度時需要降額使用，這是由LED產品本身的熱阻和功耗決定的。另外，由於LED是光源，需要考慮其光電特性，其光通量與正向電流正相關，正向電流IF越大，光通量越大，另外光通量也受溫度影響，溫度越高，光通量越小，如圖6所示，圖中用相對光通量來表示光通量。

2.1.3 感性負載

感性負載中，雨刮電機、風扇電機、電磁閥和繼電器是常見的負載，本質上是不同感值的線圈繞組。值得指出的是，線束也具有感性負載特性，在電池拋負載即電池兩極和線束之間的連接突然丟失時，會在線束上產生一個電壓尖峰，這個尖峰的產生是由於線束的寄生電感引入的。線束的長度在汽車或者卡車應用中不可以忽略不計，線速的等效電阻和寄生電感需要在ECU的設計中加以考慮。圖7所示為繼電器結構圖，電磁閥的結構稍微有差異，原理類似。繼電器更多的是控制電流的開和關，電磁閥的控制對象更多的是流體，如汽油，柴油等。對電磁閥而言，控制電路中的開關採用高邊驅動較多，如汽車安全系統中的ABS控制器中的各種電磁閥，而在車身系統中的繼電器由於驅動電流較小，多採用低邊驅動。感性負載驅動需要注意的是關斷時高邊會出現反向電壓，低邊會出現正向電壓，使得高低邊開關的兩端電應力加大，在實際應用中必須採取措施限制這個電壓應力。圖7是高邊驅動感性負載的關斷示意圖。

在實際驅動繼電器或者電磁閥時，需要特別注意關斷瞬間的問題。由於感性元件具有儲能的作用，根據電磁感應定律，電感線圈上會產生一個感應電動勢，這個電動勢會使得電流保持原來的方向不變，即續流作用，對高邊負載來說，輸出端會產生一個對地負壓，如圖7所示。從而使得高邊MOS的源漏電壓Vds加大，如果這個電壓超過一定值會導致高邊功率器件擊穿。因此需要對這個電壓進行鉗位，防止開關管過壓擊穿。英飛凌公司的智能高邊器件具有有源鉗位功能，鉗位後能確保源漏電壓Vds穩定在安全電壓範圍內。在鉗位過程中，開關管自身消耗掉感性負載的存儲能量，如果這個能量值對開關管而言是固定的，由開關管的熱特性決定，因此在匹配開關管和感性負載的時候需要考慮這個能量值是否匹配。具體由公式（1）決定：

假定電感等效電阻RL為零，可得簡化公式：

2.2 驅動類型

在BCM設計中涉及到許多負載，對應不同的負載會採用不同的驅動類型，主要包括開關驅動和LED驅動兩類。

2.2.1 開關驅動

驅動類型主要是從驅動負載的電路拓撲加以考慮，主要有高邊驅動、低邊驅動、半橋驅動和全橋驅動（包括兩相全橋和三相全橋）四種，如圖8所示。

這四種拓撲常採用開關器件來實現，開關器件種類很多，其中常見的有機械開關和半導體開關兩種，出於能效和壽命方面的優勢，目前半導體開關是BCM設計中的主流選擇。半導體開關中有三極體、MOSFET和IGBT等。在車身電子中，大多數負載採用帶保護和診斷的MOSFET來驅動。英飛凌作為全球第一大功率器件供應商，為客戶提供了豐富的功率器件家族供選擇，如表3所示。

對於負載採用何種拓撲來驅動一般由OEM來決定，因為這和線束的設計有關，從功能上來說，有些負載比如阻性負載，既可以採用高邊驅動也可以採用低邊驅動，甚至半橋。另外對於電機來說，如果是單向運行採用半橋即可，雙向運行則需要使用全橋。值得指出的是由於高邊可以帶來線束上的節省，在整車中負載的驅動中越來越多地採用高邊驅動。

2.2.2 LED驅動

目前在汽車領域應用中存在白熾燈和LED照明都存在的情況，基於平台化設計的理念，需要兼容白熾燈和LED兩種負載。 從前文敘述可知，一般使用高邊開關來驅動白熾燈，也可以用高邊開關Profet來驅動LED，但是因為LED的驅動電流較小，需要選用導通電阻較大的功率管。這種直接採用限流電阻恆壓驅動的方式多針對LED電流較小的應用，在LED電流較大時，電阻上消耗的功率較大，照明效率降低。此外，這種簡單恆壓驅動方式不能抑制電壓波動帶來的影響，容易造成LED的亮度變化，因此這種驅動方式對亮度比較敏感的應用不適用。從LED伏安特性來看，正向電壓大於導通電壓VF之後，微小的電壓變化會導致較大的電流變化，從控制的角度來看，控制電流更容易構建一個穩定的控制系統；另外從光通量的角度出發，光通量由正向電流決定，所以控制電流更具有光學物理意義。為了消除電壓波動帶來的影響，採用線性恆流源控制輸出電流，高邊開關做開關使用。如圖9所示。圖9所示的驅動拓撲更多的是考慮和白熾燈驅動做兼容，便於平台化設計。

當驅動電流更大時，比如驅動電流達1A左右時，線性恆流源的損耗加大，效率降低明顯。此時，為了提高照明效率，採用DC-DC驅動方式，如圖10所示。DC-DC驅動方式有恆流和恆壓驅動兩種方式。直接驅動LED時，採用恆流驅動，如果做前級調壓時，採用恆壓控制，這種方式在單獨驅動多個LED串時適用，每個LED串可單獨控制。四種驅動方式各有優缺點，總結如表4所示。

3 關鍵設計步驟

在分析和了解控制對象後，可以根據OEM提供的系統需求設計車身控制模塊BCM。 基本設計步驟包括電源和負載分類、功耗和熱設計以及保護診斷功能設計三大部分。

3.1 電源和負載分類

電源通常分為常開電（CL15）和常閉電（CL30），如圖11所示。

除了CL15和CL30的區別外，一般OEM會根據負載類型和功能，對不同的負載配以不同的電源線，也就是說從配電盒分出的12V電源線不止一路，具體路數不同的OEM有不同的定義，具體路數會在4~8路之間。

3.2 功率器件

選擇功率器件主要是對功率器件工作時靜態和動態的電應力進行計算和評估。進行這些計算主要需要考慮的外部因素包括供電電壓、溫度、負載和安裝方法，如表5所示。

下面以感性負載計算舉例說明器件選擇過程，如表6所示。

以上計算未考慮功率器件導通電阻隨溫度變化的特性，而是以最大電阻作為計算值，實際溫升要小於以上計算值，精確的計算需要根據溫度變化調整導通電阻的值進行溫升計算，一般採用軟體模擬來進行。圖12是英飛凌公司內部軟體熱模擬結果，300秒後溫度上升至103.9℃，小於以上固定導通電阻計算結果115.6℃。

3.3 保護和診斷

汽車運行的高可靠性要求半導體器件具有各種保護功能，並在失效後MCU能知曉失效信息，並能將這些信息能告知用戶，常見的診斷技術和保護技術如表7所示。

在針對各種負載選擇合適的驅動元器件之後，硬體設計工作第一階段初步完成，接下來需要做的是原理圖設計、PCB設計和軟硬體調試，這些內容不屬於本文討論的問題，以後會有專門的文章討論相關技術問題。圖13是BCM常見負載選型框圖。

4 設計趨勢

目前BCM設計技術日新月異，主要的趨勢是平台化靈活性更高，集成度更高和分散式設計者三大方向。另外隨著ISO26262安全規範的推行，關於功能安全的考慮在BCM設計中將會得到更多的體現。

4.1 集成度和靈活性

隨著汽車電子的發展，目前BCM設計的趨勢是平台化和高集成度化兩個趨勢。平台化SBC、SPI器件、共用ADC，以及高低邊可配等。 主要通過器件的兼容性來實現。集成度主要是提高器件的集成度，例如採用系統基礎晶元將電源、CAN收發器、LIN收發器集成到一個晶元上，在功率輸出方面採用SPI控制的多通道器件實現集成。英飛凌半導體在這兩方面均有豐富的產品鏈，如TLE826X和TLE926X系列SBC器件，多路高低邊SPOC和SPIDER家族。圖14(a)是BCM平台化示意圖。

4.2 分散式系統

分散式系統是車身電子發展的又一大趨勢，由於車身系統中的負載較多，而且分布位置各異，位於車頭、側位、尾部和車內，隨著負載數目的日益增加，如果每個負載均使用線速直連控制，會造成龐雜的線束系統，增加了車身的成本和重量。為了改善布線架構和降低線束重量，車身系統中大量採用分散式ECU，即大量採用匯流排控制，終端負載通過ECU以節點的方式掛載到匯流排上，在車身系統尤其多採用LIN Slave結構，如照明系統、座椅系統和空調系統等。英飛凌半導體提供了LinSlave的全套解決方案，其中典型的產品是ePower TLE983X系列，尤其適合車身應用中的電機控制，如圖14(b)所示的智能車窗電機驅動，另外針對氛圍燈RGB調色的LIN節點晶元TLE730X和TLE739X系列。

5 實驗結果

本文根據對國內外商用車BCM（24V電池供電）負載情況調研結果，給出了24V系統的BCM平台參考設計。圖15是24V BCM的設計系統框圖，包括微處理器、功率晶元、電源、輸入開關和通信模塊等部分，圖中給出了負載和相關驅動的型號。該BCM目前已經通過了實驗驗證，圖16是實驗驗證模擬，包括輸入板、BCM和負載板三大部分組成。後續將進行實車測試。

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