面向电动车窗和天窗应用的集成嵌入式功率半导体

半导体

1) 推动电动车窗电控单元采用高度集成解决方案的因素

如今，电动车窗已成为汽车标准功能之一。即使在成本至上的新兴市场，它也是影响购车者决定的最重要因素之一。多数购车者都将电动车窗视为必备的舒适功能，因此汽车厂商都将其作为一种基本功能。

当前车门正沿着模块化、轻型化方向发展，另一个发展趋势是加装侧安全气囊。随着车门结构发生变化，车门腰线的负载规格也相应提高，以实现出色的碰撞性能。性能的增强与添加安全气囊极大刺激了对小尺寸车门/电动车窗ECU（电控单元）的需求。更高的半导体集成度是管理防夹等复杂功能的关键，同时也满足了小型、轻量要求。

车窗防夹功能也适用于天窗模块，该模块和车窗共用相同的车窗举升机制。

2) ePower TLE7810G的优势

英飞凌提供的嵌入式功率（ePower）半导体TLE7810G主要应用于电动车窗，采用单一封装，内含兼容标准8051内核的8位微控制器，同时搭载片上调试支持和系统基础芯片（SBC）。SBC搭载符合LIN2.0/ SAEJ2602标准的LIN收发器、低压降稳压器与两个低侧开关（继电器驱动器）和为外部霍尔传感器供电的电源，另外还提供高侧驱动器，用于驱动发光二极管。

图1 TLE7810G框图
此集成电路是采用PDSO-28封装的多芯片模块（MCM），经过专门设计，适用于严酷的汽车环境。

该8位微控制器具备16KB片上闪存，可处理多个控制任务，其中包括车窗防夹功能。自2008年10月起，美国境内生产的车辆必须具备此功能，很快将有多个国家效仿这种作法。目前，许多汽车厂商已在新款车内加装了此功能。

车窗升降器属于高电流装置，而目前的乘用车大部分仍采用继电器驱动电动车窗电机。为了满足这种情况，TLE7810G内嵌两个继电驱动器，控制驱动电动车窗电机的外部继电器。

此外，TLE7810G还集成了LDO（低压降）稳压器，负责为霍尔传感器供电。霍尔传感器通常安装在车窗防夹系统内，用于检测车窗的速度/扭矩和位置。

高度整合的单一封装大大降低了PCB占位空间，使其能够安装在更小（更便宜）的外壳内。同时，芯片的静态电流消耗极低，可满足现今电动车窗/车门模块的苛刻要求。

这类芯片还内嵌LIN收发器，以满足逐渐流行的分散式架构要求，即每个车窗由专门的ECU控制。通过连接LIN总线，可实现分散式模块方案，从而大幅减少布线数量和整体重量。

图 2 显示分散式车身控制架构

相对于微控制器、收发器、继电器驱动器和稳压器等各个分立式装置，这种高度集成解决方案另一个突出优势是节省芯片封装成本。对电动车窗ECU的一级供应商而言，采用高度集成的ePower解决方案，可获得因组件减少带来的更高可靠性、出类拔萃的库存管理和更高的生产组装效率。

TLE7810G还具备5个唤醒输入，LIN收发器可经受高达4kV的静电放电。

3) 需要满足的主要技术要求

防夹与车窗位置存储处理

防夹是电动车窗的重要安全要求，必须保证在车辆发生故障情况下仍能正确运行，特别是在电动车窗升降时，遭遇电池故障或熄火状况，这点至关重要。为确保防夹功能正确运行，系统再次启动时，必须知道车窗的正确位置。因此，在电源关闭之前，系统必须在极端时间内存储最后的车窗位置。

通常情况下，防夹机制取决于车窗的位置。举例来说，如果车窗在完全打开后升起，只要侦测到防夹情况，车窗就会停止移动。但若车窗上升的空间少于250毫米，车窗必须停止并下降100毫米。为了让车窗正确关闭，当车窗上升的空间不足4毫米时，将不启动防夹侦测。

受到机械系统内能量的影响，从关闭电动车窗电机到车窗完全停止运动，需要50毫秒时间。在此期间，ePower必须监控霍尔传感器，并在电源关闭前存储车窗最后的位置信息。同时，在此期间，ECU将采用缓冲电容器供电。电容器的大小取决于桥接时间、电流消耗和应用的电压需求，这是系统开始关闭时的电压水平与低电压重置时的电压水平的差别。TLE7810G经过优化，具备3.3V的极低欠压重置阈值，因此可采用较小且便宜的缓冲电容器。

低静态电流消耗

即使在活动模式下，通常仍需将车窗稳压器ECU的电耗降低至几百微安。这是因为驾驶员关闭引擎时，车钥匙仍处于通电位置，电动车窗和防夹功能仍可运行，最好能尽量降低电流的消耗。

为实现这一点，应当定期唤醒控制器在活动模式下运行，但在较长时间内具备低功耗。利用TLE7810G的低功耗模式可实现这一点。TLE7810G的规格定义为：在省电模式下，停止循环唤醒的通信装置（SBC）与微控制器（MCU）装置。当微控制器处于省电模式时，消耗的电流最低。核心组件与外设均不运行。通过外部中断可唤醒微控制器（使用或不使用重置）。因此，SBC可定期生成这种内部“唤醒”信号，使微控制器能够返回活动模式，为其应用提供支持。总功耗约为：30uA + 80uA = 110uA。关键特性是LIN或监控器管脚唤醒及其它定期唤醒功能，做到主动监控其它信号或输入。

4) 未来展望

今后的发展趋势是，使用外置高电流半导体开关（如BTM7960B）代替继电器驱动电动车窗电机。其优点包括较低的噪音、更长的使用寿命、较小的PCB尺寸和先进的功能，例如采用脉宽调制实现软启动。此外，在因温度变化和橡胶密封剂老化造成的多样机械摩擦导致电机电流变化的苛刻环境下，半导体解决方案能提供更加出色的保护与诊断管理。

防夹软件在苛刻的汽车环境中，具备更高的智能性、强健性和适应性。TLE7810G具备可扩展性，闪存可由16KB、24KB增大至32KB。如要通过升级软件提高防夹功能，可利用单线LIN支持LIN BSL（引导加载）下载程序。

5) 结论

迄今为止，在亚太地区，尤其在中国，乘用车车门模块与天窗模块已越来越普及。根据当地市场数据显示，天窗模块的销量在近年来大幅攀升，主要是因为许多购买私家车的年轻人认为电动天窗能体现时尚生活风格。2004年，出于安全考虑，中国***禁止改装电动天窗，此举也造成OEM市场在中国蓬勃发展。

支持高度集成解决方案和可扩展器件系列的嵌入式功率半导体具备多种优势：较小的PCB尺寸、重量轻、以较少的组件提供更高的可靠性、出色的库存管理和更高的制造组装效率。

这种单片解决方案也可大幅简化设计，缩短上市时间。
Ng Jit Keah David
英飞凌科技亚太有限公司
汽车、工业及多元化电子市场部
汽车车身业务高级营销工程师

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