楊云露, 龔元明,周建鵬

(上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，上海 201620)

0 引言

目前在汽車領(lǐng)域中普遍采用電磁繼電器做功率開關(guān)器件，但由于電磁繼電器本身有機(jī)械壽命、有吸合釋放聲音以及開關(guān)速度慢等缺點(diǎn)，在某些高端車型的靜音、超長壽命需求以及精確的延時(shí)控制等特殊場(chǎng)景中，傳統(tǒng)的電磁繼電器已無法滿足要求。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，加之應(yīng)用領(lǐng)域的多樣性，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了幾種新型的負(fù)載開關(guān)，比如固態(tài)繼電器(SSR)、光MOS繼電器等。本設(shè)計(jì)借鑒了在光MOS繼電器開發(fā)中選用功率場(chǎng)效應(yīng)管作為功率器件的成功經(jīng)驗(yàn)，用NMOS AUIRFSA8409作為控制負(fù)載的主要元件來代替繼電器，引入嵌入式微處理器Infineon XC2234L實(shí)現(xiàn)智能化，處理器能夠根據(jù)負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)采集流經(jīng)電子繼電器的輸入端電壓和電流、負(fù)載端電壓以及PCB板上NMOS管自身的溫度，同時(shí)設(shè)計(jì)開發(fā)了上位機(jī)端標(biāo)定軟件，利用USB-CAN發(fā)送信息給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的雙向通信，將輸入端電壓、電流、負(fù)載端電壓以及MOS管溫度實(shí)時(shí)傳給上位機(jī)，以此實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、保護(hù)及通信功能。與電磁繼電器相比，該電子繼電器可以對(duì)負(fù)載進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，其響應(yīng)速度快、靈敏度高、功耗低、壽命長、控制電流大，是現(xiàn)代繼電器發(fā)展的趨勢(shì)。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)與選型

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)及原理

電子繼電器滿足的功能指標(biāo)參數(shù)如下：

1)輸入電壓：12～24 V；

2)輸出負(fù)載電流：200 A；

3)通訊方式遵循基于CAN2.0B的主從式協(xié)議；

4)輸入輸出隔離；

5)電子繼電器節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)電流可測(cè)量，實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。

電子繼電器的工作原理為：本文設(shè)計(jì)了一種智能化電子繼電器，電子繼電器采用Infineon XC2234L微處理器、N型MOS管和CAN總線收發(fā)器為控制核心，它具有總線通信和在線診斷功能，電子繼電器自身發(fā)生故障時(shí)，可以自動(dòng)通過CAN總線發(fā)送報(bào)文，輸入端電壓過高時(shí)(可以軟件設(shè)置)，可以自動(dòng)斷開輸入和輸出的通斷狀態(tài)。當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到MOS管溫度超過預(yù)設(shè)值時(shí)，電子繼電器能夠進(jìn)行熱關(guān)斷，起到保護(hù)MOS管的功能。同時(shí)MOS管具有反向電壓保護(hù)功能，可在反向負(fù)載條件下保護(hù)MOS管。此外，電子繼電器能與上位機(jī)進(jìn)行CAN總線通信，可對(duì)輸入電壓、電流、輸出電壓和溫度進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)并在上位機(jī)界面顯示，同時(shí)對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警與處理。圖1是該電子繼電器在汽車上作為雙電池開關(guān)的一個(gè)實(shí)例應(yīng)用。

圖1 電子繼電器應(yīng)用實(shí)例

1.2 MOS管選型

功率場(chǎng)效應(yīng)管的選擇是設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。功率MOS管選擇時(shí)，應(yīng)充分考慮到電子繼電器設(shè)計(jì)所要求的耐壓、工作電流以及導(dǎo)通損耗大小，選擇的正確步驟分別是確定溝道類型、確定額定電流、確定熱要求以及決定開關(guān)特性[1]。由于增強(qiáng)型N溝道MOS管導(dǎo)通電阻小并且容易制造，加之本文在設(shè)計(jì)MOS管的隔離驅(qū)動(dòng)電路時(shí)柵極電壓是9 V，源極接地，所以選擇NMOS作為開關(guān)器件；額定電流是負(fù)載在所有情況下能夠承受的最大電流，同時(shí)要考慮MOS管在連續(xù)導(dǎo)通和瞬態(tài)脈沖尖峰時(shí)的電流情況；在散熱方面，主要是選擇導(dǎo)通電阻比較低的MOS管，這樣電流就會(huì)在這個(gè)電阻上消耗的能量較低，功耗較低，在通大電流時(shí)其內(nèi)部溫度不會(huì)超過安全余量；最后一步是決定MOS管的開關(guān)性能，由于MOS管是電荷控制器件，對(duì)MOS管的驅(qū)動(dòng)實(shí)際上就是對(duì)內(nèi)部寄生電容的充放電，驅(qū)動(dòng)要求由其柵極總充電電量參數(shù)決定。同時(shí)必須保證由能夠提供足夠灌入和拉出電流的低阻抗源來驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)控制電荷的快速嵌入和脫出。但開關(guān)頻率越快，器件開關(guān)損失也越大，因此優(yōu)先選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管來減小導(dǎo)通損耗。

在本文的設(shè)計(jì)參數(shù)中，負(fù)載最大電流達(dá)200 A，由于功耗與工作電流大小成正比，這將對(duì)MOS管造成巨大的損耗，同時(shí)對(duì)其性能也提出了更高的要求。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，采用8個(gè)MOS管來實(shí)現(xiàn)主電路的分流，平均每個(gè)MOS管的最大工作電流為25 A，在實(shí)際使用時(shí)，MOS管最大過電流值一般是設(shè)計(jì)參數(shù)的30%～50%，因此一般選擇過電流能力達(dá)100 A以上的MOS管開關(guān)器件[2]。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，本文選取英飛凌N溝道增強(qiáng)型MOS管(AUIRFSA8409)即可滿足要求，其耐壓大小為40 V、導(dǎo)通電阻0.5 mΩ、瞬態(tài)脈沖尖峰電流523 A、額定電流360 A，且具有175 ℃的結(jié)溫以及快速的開關(guān)速度等特性。

2 CAN總線技術(shù)

CAN總線是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。它的短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、非破壞性總線仲裁技術(shù)以及靈活的通訊方式，使CAN總線具有很高的可靠性和抗干擾性，滿足了汽車對(duì)總線的實(shí)時(shí)性和可靠性的要求[3]。CAN總線采用CANH和CANL兩根導(dǎo)線差分傳輸信號(hào)，總線上某一時(shí)刻表現(xiàn)的數(shù)值由這兩根導(dǎo)線的電壓差值決定，信號(hào)在總線上基于非破壞性仲裁機(jī)制競(jìng)爭，信號(hào)方向相反，這樣可以提高抗干擾性能。在本電子繼電器中，Infineon XC2234L微處理器內(nèi)部集成MultiCAN控制器，CAN控制器與物理總線之間需CAN收發(fā)器作為接口，它實(shí)現(xiàn)CAN控制器邏輯電平與CAN總線差分電平之間的轉(zhuǎn)換。本文選擇了Infineon TLE6250 CAN收發(fā)器作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口。其數(shù)據(jù)收發(fā)過程是控制器發(fā)出TTL電平信號(hào)給收發(fā)器，收發(fā)器將數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)化為CAN標(biāo)準(zhǔn)的差分信號(hào)，將控制器傳來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并將其送入CAN總線上?？偩€上的輸入輸出端電壓、電流和MOS管溫度數(shù)據(jù)通過外部CAN接口卡USB-CAN與上位機(jī)進(jìn)行通訊，上位機(jī)通過 USB-CAN讀取數(shù)據(jù)，從而圖形化、數(shù)字化地監(jiān)控和顯示輸入輸出端電壓、電流和MOS管溫度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)狀態(tài)。若微處理器監(jiān)測(cè)到MOS管的溫度過高，輸入端電壓超過設(shè)定值，則微處理器將通過CAN總線將故障碼傳輸至上位機(jī)進(jìn)行報(bào)警、自動(dòng)斷開輸入輸出端等保護(hù)處理，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電子繼電器硬件電路主要包括電源穩(wěn)壓電路、DC-DC隔離驅(qū)動(dòng)電路、MOS管驅(qū)動(dòng)電路、溫度采樣電路、電流采樣電路以及CAN總線收發(fā)電路等。

3.1 電源穩(wěn)壓電路

系統(tǒng)主控制芯片在電壓為5 V的環(huán)境下工作，大部分外圍電路也是5 V供電，所以電源模塊的穩(wěn)定性和可靠性是整個(gè)電子繼電器安全可靠有效運(yùn)行的前提。圖2為電源電路圖，電源芯片選用MIC4680，根據(jù)該芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)設(shè)計(jì)電路，在輸入端VIN接入12 V直流電壓，從輸出端Switch引腳輸出的即為5 V直流電壓。為了盡可能降低電源的干擾，在VIN端加一個(gè)濾波電容，在輸出端加一個(gè)肖特基二極管1N5819是為了防止系統(tǒng)反向的高壓，RC電路用于整流濾波。

圖2 電源穩(wěn)壓電路

3.2 MOS管隔離驅(qū)動(dòng)電路

為了實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路的電氣隔離，驅(qū)動(dòng)電路電源與微處理器系統(tǒng)電源必須相互隔離，本文的MOS管選擇DC-DC光耦隔離驅(qū)動(dòng)，得到兩路相互隔離的電源。其中DC-DC芯片選型為B0509XT、光電耦合器選型為AQY210EH、MOS管選型為NMOS AUIRFSA8409，光耦隔離電路和MOS管驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 MOS管隔離驅(qū)動(dòng)電路

3.3 溫度采樣電路

溫度采樣芯片選用AD7416，它是一種基于IIC總線接口的數(shù)字溫度傳感器芯片，它包括一個(gè)帶隙溫度傳感器和一個(gè)用來監(jiān)視并將溫度數(shù)字化的10位A/D轉(zhuǎn)換器，其精度達(dá)0.25 ℃，溫度測(cè)量范圍-55～125 ℃。工作電源電壓在2.7～5.5 V之間，具有標(biāo)準(zhǔn)IIC總線接口[4]。由于采用低功耗CMOS技術(shù)，它具備掉電工作模式。AD7416的引腳配置如圖4所示。其中SDA—串行地址/數(shù)據(jù)雙向I/O端。漏極開路，使用時(shí)須接上拉電阻。本文中的上拉電阻阻值為10 K。

圖4 溫度采樣電路

SCL為串行時(shí)鐘輸入端。2.7 V時(shí)可達(dá)100 kHz，5 V時(shí)達(dá)400 kHz。

OTI為超溫輸出，漏極開路。可作為中斷輸出信號(hào)。在系統(tǒng)構(gòu)成時(shí)，為降低功耗，上拉電阻取值至少大于10 K，本文上拉電阻取值為10 K。

A0、A1、A2為地址引腳，AD7416可以級(jí)聯(lián)至多8片在同一個(gè)IIC上。

VCC(2.7～5.5 V)和GND 提供工作電源。

AD7416通過IIC內(nèi)部總線(時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA)與微處理器進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)傳送時(shí)，當(dāng)時(shí)鐘線為高電平，數(shù)據(jù)線必須保持在穩(wěn)定狀態(tài)，不能有跳變。否則數(shù)據(jù)線上任何電平變化都將被看作總線的起始或者停止信號(hào)。在時(shí)鐘線保持高電平期間，數(shù)據(jù)線電平由高到低被看作是IIC線的起始信號(hào)，由低到高被看作是IIC線的停止信號(hào)。

3.4 電流采樣電路

電流采樣芯片選用ACS758，它是一種帶100 μΩ電流導(dǎo)體的增強(qiáng)散熱功能、全集成、基于霍爾效應(yīng)的線性電流傳感器。其采樣電路如圖5所示。

3.5 CAN總線收發(fā)電路

在CAN網(wǎng)絡(luò)通信中一般每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包括CAN收發(fā)器、CAN控制器、微處理器三部分[5]。本文選用的Infineon XC2234L微處理器集成了MultiCAN控制器，MultiCAN已經(jīng)將CAN的底層協(xié)議(物理層和數(shù)據(jù)鏈路層)集成到芯片硬件中。CAN總線收發(fā)器選用Infineon公司的TLE6250GV33，它是一種高速CAN收發(fā)器，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)1Mbaud，具有過溫保護(hù)、良好的EMC性能，以此實(shí)現(xiàn)MultiCAN控制器與總線之間邏輯電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換。同時(shí)為了增強(qiáng)CAN通信的可靠性，CAN總線網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)端點(diǎn)通常均接有抑制反射的終端匹配電阻。一般CAN總線用的是標(biāo)準(zhǔn)的雙絞線，其特性阻抗大約為120 Ω，所以終端電阻R值一般取值為120 Ω。CAN收發(fā)器引腳結(jié)構(gòu)如圖6所示，CAN通信電路如圖7所示。

圖5 電流采樣電路

圖6 CAN收發(fā)器引腳結(jié)構(gòu)

圖7 CAN通信電路

XC2234L內(nèi)部MultiCAN控制器通過引腳CAN0-TxD和CAN0-RxD與CAN收發(fā)器連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的傳輸。在TLE6250GV33的+5 V供電電壓設(shè)計(jì)C15的電容，是為了濾除電源的尖峰干擾，同時(shí)增加電源穩(wěn)定性。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件主要包括溫度采樣子程序、CAN模塊軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)監(jiān)控端程序等。

4.1 溫度采樣子程序

首先使用Dave對(duì)XC2234L微處理器進(jìn)行IIC配置，XC2234L內(nèi)部含有2個(gè)USIC模塊，通過配置USIC1來配置USIC使用的協(xié)議，選擇通道CH0(U1C0)配置為使用IIC協(xié)議，主控模式，SCL引腳為P10.8，SDA引腳為P10.13，波特率設(shè)置為100KBand，地址模式為10位。在Functions中選擇函數(shù)“U1C0_IIC_vWriteData”、“U1C0_IIC_uwReadData”、“U1C0_IIC_uwGetStatus”、“U1C0_IIC_vResetStatus”、“U1C0_IIC_vEnableACK”、“U1C0_IIC_vDisableACK”。AD7416的內(nèi)部功能框圖如圖8所示。

圖8 AD7416的內(nèi)部功能框圖

通過IIC接口對(duì)AD7416的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作，AD7416的片內(nèi)帶隙溫度傳感器可按預(yù)先設(shè)置的工作方式對(duì)MOS管溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。首先在配置寄存器中預(yù)先設(shè)置工作方式D0為自動(dòng)測(cè)溫，每隔400 μs對(duì)溫度測(cè)量一次。再根據(jù)AD7416芯片手冊(cè)提供的溫度與輸出數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化關(guān)系，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量存到溫度值寄存器中，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，AD7416作為從器件通過SDA和SCL兩條線與總線相連，當(dāng)SCL保持高電平時(shí)，SDA從高電平到低電平的沿跳變?yōu)殚_始信號(hào)，之后傳輸?shù)刂沸畔⒆x寫控制位，數(shù)據(jù)格式為1001A2A1A0R/W[6]。1001是它的特征位，A2A1A0是3位地址碼，讀寫控制位R/W為0時(shí)表示“寫”，1表示“讀”。當(dāng)主器件發(fā)送寫指令1001A2A1A00，由函數(shù)“U1C0_IIC_vWriteData(uword uwTDF, uword uwData)”完成寫數(shù)據(jù)操作，寫到地址指針寄存器，當(dāng)每個(gè)字節(jié)傳送結(jié)束時(shí)，必須在收到接收數(shù)據(jù)一方的確認(rèn)信號(hào)ACK后方可開始下一步的操作，所以當(dāng)主器件接收到確認(rèn)信號(hào)ACK后，就可以發(fā)出待寫數(shù)據(jù)到總線。當(dāng)主器件發(fā)送讀指令1001A2A1A01，收到ACK后，產(chǎn)生讀時(shí)鐘SCL，由函數(shù)“U1C0_IIC_uwReadData(void)”完成字節(jié)讀操作。最后，當(dāng)SCL保持高電平，SDA從低電平跳變到高電平時(shí)將終止數(shù)據(jù)的傳輸。

4.2 CAN模塊軟件設(shè)計(jì)

CAN模塊設(shè)計(jì)是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。CAN通訊模塊包括CAN初始化程序、報(bào)文接收程序和報(bào)文發(fā)送程序。其中初始化需要在復(fù)位的模式下進(jìn)行，主要是對(duì)控制器工作方式、驗(yàn)收屏蔽寄存器、驗(yàn)收濾波方式、波特率參數(shù)、驗(yàn)收代碼寄存器和中斷允許寄存器等的設(shè)置，這一過程在Dave中配置好微處理器的收發(fā)引腳時(shí)自動(dòng)完成；CAN總線收發(fā)程序包含總線接收函數(shù)與消息發(fā)送函數(shù)，用到的函數(shù)包括“CAN_vGetMsgObj”、“CAN_vTransmit”、“CAN_vLoadData”以及“CAN_vReleaseObj”。CAN通信流程如圖9所示。

圖9 CAN通信流程圖

待初始化完成后，主程序進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，隨時(shí)檢測(cè)總線發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過中斷進(jìn)行消息的接收和分辨等，然后再通過CAN_vTransmit發(fā)送函數(shù)將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)以設(shè)計(jì)好的CAN報(bào)文形式發(fā)送至PC端上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件。其中圖10是上位機(jī)主窗口界面，圖11是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖。

圖10 上位機(jī)主窗口界面

圖11 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

電子繼電器通過汽車線束接插件、USB-CAN接口卡與上位機(jī)進(jìn)行通信。電子繼電器上電之后，通過CAN總線發(fā)送報(bào)文，當(dāng)輸入端電壓過高時(shí)，電子繼電器可以自動(dòng)斷開輸入和輸出的通斷狀態(tài)并在上位機(jī)端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示。當(dāng)檢測(cè)到溫度超過一定值時(shí)，電子繼電器能夠進(jìn)行熱關(guān)斷，起到保護(hù)MOS管的作用。實(shí)時(shí)檢測(cè)繼電器的外部供電電壓、負(fù)載電流、板內(nèi)MOS管溫度以及負(fù)載輸出端電壓。并可通過參數(shù)設(shè)置來設(shè)置繼電器電壓、電流與溫度的安全范圍，將數(shù)據(jù)固化到微處理器中，以此監(jiān)測(cè)和保護(hù)電子繼電器。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

表1是經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出的結(jié)果，輸入電壓范圍為9～20 V，所加負(fù)載電流范圍在100～200 A，每一階段測(cè)試時(shí)間大約為30 min。利用紅外測(cè)溫槍分別測(cè)試不同負(fù)載不同時(shí)間下6個(gè)MOS管的溫度，由于考慮到成本因素，在焊接元器件時(shí)只焊接了6個(gè)MOS管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于功率MOS管不是理想器件，所以在實(shí)際使用過程中，其導(dǎo)通及關(guān)斷時(shí)間并不是一樣的，由數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出溫度分布也有一定的差異。隨著負(fù)載電流的逐漸增加，MOS管的功耗以及溫度也在不斷增加，當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到200 A時(shí)，由于在程序中設(shè)置的過溫保護(hù)上限為90度，電子繼電器能夠及時(shí)的進(jìn)行熱關(guān)斷，并且CAN報(bào)文數(shù)據(jù)收發(fā)準(zhǔn)確、MOS管溫度控制在合理范圍內(nèi)，且能穩(wěn)定控制200 A的負(fù)載。若是按照電路圖設(shè)計(jì)的8個(gè)MOS管來對(duì)負(fù)載進(jìn)行接通和分?jǐn)?，則預(yù)計(jì)實(shí)驗(yàn)效果會(huì)更加可觀，每個(gè)MOS管中的工作電流大小會(huì)降低，損耗也會(huì)降低，測(cè)得的溫度值也會(huì)更低。同時(shí)由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，由于MOS管這樣的大功率器件高密度地集成在一塊PCB板上，當(dāng)MOS管的工作溫度超過最高結(jié)溫(降額使用限于125 ℃)時(shí)，其性能會(huì)顯著下降，甚至失效，所以PCB板的散熱問題仍然是下一步研究的重點(diǎn)。部分實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

6 結(jié)束語

本文選用Infineon公司的XC2234L芯片設(shè)計(jì)開發(fā)了基于CAN總線技術(shù)、利用MOS管的大功率驅(qū)動(dòng)功能的電子繼電器。通過大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了該電子繼電器的功能和穩(wěn)定性。它既保留了常規(guī)固態(tài)繼電器使用壽命長、可靠性好以及靈敏度高等長處，又具有傳統(tǒng)電磁繼電器導(dǎo)通電阻低、輸出線性好的優(yōu)點(diǎn)，從而開拓了基于MOS管固態(tài)繼電器件應(yīng)用的新領(lǐng)域[7]。將電子繼電器作為汽車電氣系統(tǒng)的負(fù)載開關(guān)，能夠克服傳統(tǒng)電磁式繼電器在通過大電流時(shí)產(chǎn)生的電火花、電弧干擾以及整車機(jī)械振動(dòng)帶來的觸點(diǎn)誤動(dòng)等各種不足，可靠地保護(hù)汽車負(fù)載系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)負(fù)載參數(shù)，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果