摘要：隨著科技的發(fā)展，越來(lái)越多的設(shè)備向著智能化方向發(fā)展，而智能化的設(shè)備必須有充足的電量才能保證其正常功能的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于車(chē)主或者乘客，快速充電器的需求在不斷增加。汽車(chē)后排空調(diào)控制面板一般安裝在扶手屏的后面，能使后排用戶的筆記本和手機(jī)充電變得更加方便，因此快速充電功能集成后排空調(diào)面板的需求越來(lái)越大，其市場(chǎng)規(guī)模也越來(lái)越大。基于這一需求，設(shè)計(jì)了一種帶快速充電功能的后排空調(diào)面板。該面板以恩智浦S32K144 MCU為控制核心，能控制華為與小米等手機(jī)充電的協(xié)議芯片，輸出一定功率到后排空調(diào)面板的Type-C接口上，它安裝在車(chē)輛扶手后面，具有兼容性強(qiáng)、充電快速、控制方便靈活等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：PD30協(xié)議；Type-C接口；后排空調(diào)面板

中圖分類(lèi)號(hào)：U462 收稿日期：2024-06-08

DOI：1019999/jcnki1004-0226202408022

1 前言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車(chē)已成為大眾生活重要的組成部分?？萍嫉牟粩噙M(jìn)步促使節(jié)能減排、低碳環(huán)保的要求不斷提高，電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)作為我國(guó)重點(diǎn)的發(fā)展方向，也是我國(guó)汽車(chē)工業(yè)實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)、跨越式發(fā)展的難得契機(jī)。隨著電動(dòng)汽車(chē)的普及和用戶對(duì)充電速度不斷提高，車(chē)載Type-C快速充電已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車(chē)的標(biāo)配，而后排空調(diào)面板由于安裝在扶手位置，可以更加方便給用戶筆記本或者手機(jī)快速充電，因此后排空調(diào)面板集成快速充電的需求越來(lái)越高，這種模式越來(lái)越得到消費(fèi)者的青睞［1］。相比傳統(tǒng)的充電，該方案更加方便和高效，能為用戶的生活以及工作帶來(lái)更多便利。基于此，本文對(duì)一種帶快速充電功能的后排空調(diào)面板進(jìn)行了研究。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

本方案中，快速充電系統(tǒng)由觸摸模塊、LCD段碼顯示模塊、總線驅(qū)動(dòng)模塊、S32K144主控模塊、線性電源模塊、華為私有充電協(xié)議模塊、PD30及小米與Oppo充電協(xié)議模塊、升降壓電源模塊、Type C接插件模塊組成。

S32K144模塊是接收各發(fā)送數(shù)據(jù)的主控模塊［2］，用戶按下后排空調(diào)按鍵，通過(guò)觸摸塊就能把信息傳輸?shù)街骺豈CU S32K144，主控單元收到相關(guān)信息，顯示LCD段碼模塊，并且把相關(guān)操作信息通過(guò)總線驅(qū)動(dòng)模塊通知車(chē)外其他模塊，并執(zhí)行后排空調(diào)調(diào)節(jié)功能。

另外，關(guān)于快充充電模塊，用戶通過(guò)Type C接插件的CC1、CC2信號(hào)輸入到PD30協(xié)議模塊，或者通過(guò)D+、D-輸入信號(hào)到華為協(xié)議模塊，當(dāng)PD30協(xié)議管理模塊檢測(cè)到終端用戶是什么設(shè)備，就可以通過(guò)調(diào)整升降壓模塊輸出相對(duì)應(yīng)的電源電壓給手機(jī)或者終端設(shè)備充電，同時(shí)會(huì)把相關(guān)信息反饋到主控單元，將充電相關(guān)信息顯示到LCD段碼屏中，故具有更好操控顯示效果［2］。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是由IML面板表面模塊、LCD段碼顯示模塊、塑膠固定支架模塊、Rubber導(dǎo)電膠、顯示板PCB、主板PCB、鑄鋁后蓋模塊構(gòu)成的。具體如下：

a.IML面板表面模塊由蓋板與觸摸膜片貼合組成，觸摸膜片通過(guò)FPC排線連接到顯示板PCB。

b.LCD段碼顯示模塊內(nèi)部由背光燈顯示單元以及LCD段碼顯示組成的，其中背光燈與LCD顯示也是通過(guò)排線連接到顯示板PCB中。

c.塑膠固定支架模塊是為了固定IML表面塊和LCD段碼顯示模塊、顯示板PCB、主板PCB、鑄鋁后蓋模塊提供固定與支撐作用的。

d.顯示板PCB的作用是把觸摸信號(hào)、LCD背光信號(hào)、LCD段碼顯示信號(hào)傳傳輸?shù)街靼屣@示PCB中。

e.主板PCB與顯示板PCB由Block to Block連接器連接，主板PCB主要處理大電流、高功率的元件，這類(lèi)元器件散熱需要通過(guò)鑄鋁后蓋單元釋放。

f.鑄鋁后蓋主要為主板PCB高功率電感、MOS管散熱模塊進(jìn)行散熱，同時(shí)它與塑膠支架通過(guò)螺絲固定。

4 硬件電子設(shè)計(jì)

該快速充電功能后排空調(diào)面板系統(tǒng)以S32K144為核心，以觸摸模塊與Type C接插件為系統(tǒng)的輸入。當(dāng)檢測(cè)到按鍵按下或者用電設(shè)備接入到主控單元S32K144，單片機(jī)檢測(cè)到相關(guān)數(shù)據(jù)后，通過(guò)LCD段碼顯示和CAN BUS輸出到整車(chē)其他執(zhí)行模塊，同時(shí)輸出升降模塊到Type C 供電管腳，完成快速充電電功能［3］。

41 S32K144模塊

S32K144 是兼容所有ARM工具和軟件的32位閃存處理器，性能在業(yè)界領(lǐng)先，在 80 MHz 頻率下工作，功耗在32位閃存中市場(chǎng)中最低的。由于引腳多且兼容性十分優(yōu)異，所以給開(kāi)發(fā)者帶來(lái)了極大的設(shè)計(jì)靈活性。該處理器處理速度快，內(nèi)部資源相對(duì)比較豐富，功能安全滿足ASIL-B，F(xiàn)lash空間支持512 kb，成為用戶的最佳選擇。

42 PD30充電協(xié)議模塊

PD30模塊目前方案上選擇較多，但集成小米與Oppo私有充電協(xié)議方案不多。本設(shè)計(jì)采用SC2021Q模塊作為輸出功率設(shè)計(jì)。該模塊是一款適用于汽車(chē)應(yīng)用的Type-C/PD和DPDM快速充電控制器。它主要應(yīng)用于車(chē)載充電器，其內(nèi)部集成32位高性能MCU內(nèi)核，25 kb內(nèi)存和32 kb的MTP存儲(chǔ)器，支持私有快充協(xié)議，如小米與Oppo私有協(xié)議。SC2021Q［3］通過(guò)集成USB PD基帶PHY、Type-C檢測(cè)、雙DPDM PHY、內(nèi)置VBUS放電路徑、VCONN電源、可編程反饋補(bǔ)償、電壓和電流檢測(cè)、10-bit ADC、雙10-bit DACs、NMOS柵極驅(qū)動(dòng)器、I2C接口和保護(hù)電路，最大限度地減少外部組件。

43 華為充電協(xié)議模塊

華為私有充電協(xié)議市場(chǎng)方案有易充CPSQ8841和南芯SC2155Q。本設(shè)計(jì)采用南芯SC2155Q作為華為私有協(xié)議模塊。它集成了一個(gè)32位高性能微控制器核心，具有48k-Byte的MTP和3k-Byte的RAM，為許多應(yīng)用程序提供了高效的解決方案，同時(shí)它預(yù)留了獨(dú)立空間存儲(chǔ)芯片ID碼，滿足客戶精準(zhǔn)的防偽溯源需求［4］。

44 升降壓電源IC模塊

升降壓電源IC為T(mén)ype C VBus管腳提供可調(diào)的電壓與電流。本設(shè)計(jì)使用南芯的SC8701Q作為升降壓模塊，這款I(lǐng)C是一款同步4開(kāi)關(guān)升降壓控制器。無(wú)論輸入電壓高于、低于或等于輸入電壓，它都能有效地輸出電壓。SC8701Q［4］支持超寬的輸入和輸出電壓范圍，它可以支持27～36 V輸入范圍和2～36 V輸出范圍的應(yīng)用。驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)置為10 V，充分利用外部MOSFET實(shí)現(xiàn)最高效率。

45 觸摸模塊IC

觸控給用戶的感覺(jué)更高科技、更潮流。本設(shè)計(jì)使用Microchip ATtiny3217微控制器。該方案具有兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（adc），使其成為傳感器應(yīng)用的理想選擇，包括電容觸摸界面。一個(gè)ADC可以與外設(shè)觸摸控制器（PTC）一起使用，用于觸摸信號(hào)采集，而第二個(gè)ADC監(jiān)測(cè)其他輸入，如熱敏電阻和壓力傳感器，或兩個(gè)ADC都可以用于不同類(lèi)型的傳感器更快的采樣。一種基于硬件的事件系統(tǒng)，可以在不涉及CPU的情況下實(shí)現(xiàn)外圍間通信，減少延遲并確保更快的系統(tǒng)響應(yīng)。ATtiny3217 MCU也有32KB的閃存，為應(yīng)用程序代碼提供了足夠的空間，同時(shí)在PCB上保留了很小的物理空間。

46 LCD段碼顯示模塊

LCD顯示用于當(dāng)用戶操作后排空調(diào)面板或者充電顯示相關(guān)信息給用戶，給用戶更加人性化HMI界面。LCD段碼顯示中，目前使用超聲的LCD，亮度達(dá)100 cd/m2，控制使用1/3 Bias，1/4 Duty進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。LCD驅(qū)動(dòng)目前使用PCA8561芯片，該芯片是一款支持72字段碼輸出LCD驅(qū)動(dòng)芯片，I2C接口控制，是一款非常低功耗的驅(qū)動(dòng)IC。

47 Type-C連接器設(shè)計(jì)

Type-C接口是可以方便用戶連接到終端設(shè)備的一種快速充電的接口。本設(shè)計(jì)選用Type-C功能腳為立式SMT工藝、固定引腳為PIP工藝，這樣設(shè)計(jì)時(shí)保證焊接強(qiáng)度至少100 N，防止用戶損壞接插頭，詳細(xì)見(jiàn)圖3中的 Type-C接插件設(shè)計(jì)所示。其次選用Type-C連接器的重量與接觸面積的比<008 g/mm2，這樣可以防止SMD焊接時(shí)脫焊、掉件的問(wèn)題，另外由于Type C接插件露出來(lái)到用戶端，故在設(shè)計(jì)上增加Rubber Mat 以防止用戶滴水到Type C中而引起短路等問(wèn)題。最后由于要支持快速充電，故PIN A1、A4、A9、A12、B1、B4、B9、B12每個(gè)PIN 電流最大支持16 A。

48 其他硬件設(shè)計(jì)

由于需要滿足快充協(xié)議，故需要支持大電流輸出，針對(duì)小米私有協(xié)議要求的輸出電流最大，大約為62 A輸出，如果考慮雙充，輸出電流最大124 A輸出，故在電源輸入模塊要考慮防反設(shè)計(jì)。本方案使用PMOS進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮脈沖電壓影響，需要在VGS兩端增加電容C2為47 NF電容，這樣可以避免MOS管GS端電壓瞬態(tài)變化從而進(jìn)入米勒平臺(tái)，造成PMOS損壞。同時(shí)VGS兩端增加D1為18 V的穩(wěn)壓管，防止電源瞬態(tài)脈沖電壓超過(guò)芯片要求20 V以內(nèi)，防止芯片損壞［5］。為了解決輸入端電源靜態(tài)電流問(wèn)題，限流電流R1電阻設(shè)計(jì)為18 MΩ，這樣可以使用產(chǎn)品的靜態(tài)電流非常低，更低功耗。圖4所示為防反電路設(shè)計(jì)。

5 軟件設(shè)計(jì)

51 觸摸控制部分

觸摸控制部分由TP（Microchip Touch 觸摸控制端）與MCU（S32K144）通過(guò)IIC進(jìn)行相關(guān)通信。

各模塊進(jìn)行初始化完成之后，觸摸IC進(jìn)行檢測(cè)邏輯判斷，當(dāng)人手如按座椅加熱功能按鍵按下后，判斷其信號(hào)值-基準(zhǔn)值>50（閾值），當(dāng)其狀態(tài)是真，會(huì)通過(guò)IIC信息告訴MCU，MCU主控單元通過(guò)CAN BUS模塊把相關(guān)的信號(hào)發(fā)送到總線上，如果已經(jīng)觸發(fā)按鍵，則執(zhí)行按座椅加熱邏輯調(diào)整檔位。當(dāng)其狀態(tài)為假，即無(wú)按鍵觸發(fā)，則保持之前座椅加熱狀態(tài)。觸摸控制部分流程如圖5所示。

52 快速充電部分

快帶充電部分由南芯PD協(xié)議芯片SC2021Q與南芯SC2155Q［5］進(jìn)行相關(guān)通信。首次對(duì)SC2021Q以及SC2155進(jìn)行初始化，當(dāng)CC1/CC2 檢測(cè)到有設(shè)備按下時(shí)，SC2021Q通過(guò)AD口來(lái)控制Buck-Boost電源電壓輸出。當(dāng)CC1/CC2沒(méi)有檢測(cè)到設(shè)備按下，而SC2155Q D+/D-檢測(cè)到有華為設(shè)備進(jìn)入，通過(guò)UART信號(hào)告知SC2021Q 從而調(diào)整Buck-Boost，同時(shí)通知MCU主控單元進(jìn)行相關(guān)LCD顯示信息更新。如果沒(méi)有收到華為設(shè)備接入信號(hào)，不調(diào)整Buck-Boost電源電壓?？焖俪潆娍刂屏鞒倘鐖D6所示。

6 結(jié)語(yǔ)

本文把快速充電功能集成到后排空調(diào)面板上，使用Type C接口充電，可以滿足華為、小米、OPPO等快速充電協(xié)議，同時(shí)安裝在車(chē)內(nèi)扶手屏背面位置，具有充電快，兼容性強(qiáng)、觸摸操作靈活、LCD可視化顯示等優(yōu)點(diǎn)，為用戶的生活和工作帶來(lái)了很多便利，故具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

［1］崔選盟汽車(chē)空調(diào)結(jié)構(gòu)、原理與維修［M］北京：北京大學(xué)出版社，2005

［2］恩智浦半導(dǎo)體S32K144規(guī)格書(shū)［Z］2020

［3］南芯半導(dǎo)體SC2021Q規(guī)格書(shū)［Z］2021

［4］南芯半導(dǎo)體SC8701Q規(guī)格書(shū)［Z］2022

［5］南芯半導(dǎo)體SC2155Q規(guī)格書(shū)［Z］2020

作者簡(jiǎn)介：

梁展鴻，男，1983年生，電子技術(shù)工程師，研究方向?yàn)槠?chē)機(jī)械電子。