【摘" 要】車身域控制器作為整車電氣控制系統(tǒng)的核心模塊，承擔(dān)車輛電器功能、加密認(rèn)證、網(wǎng)絡(luò)通信等重要功能，其中無鑰匙進(jìn)入及啟動系統(tǒng)作為車身域控制器的基礎(chǔ)功能尤為重要，其實(shí)現(xiàn)了主動進(jìn)入、離開車輛檢測、鑰匙定位、防盜認(rèn)證及低壓電控制等功能。鑰匙定位是實(shí)現(xiàn)這些功能的基礎(chǔ)，由低頻驅(qū)動部分和鑰匙組成，其中低頻驅(qū)動芯片和低頻天線構(gòu)成了低頻驅(qū)動部分，一旦低頻驅(qū)動系統(tǒng)異常，車輛將無法啟動。基于恩智浦（NXP）NJJ29C2A9HN5芯片，文章重點(diǎn)對車身域控制器低頻驅(qū)動芯片的失效進(jìn)行深入研究，并提出解決方案，增加車身域控制器硬件的可靠性。

【關(guān)鍵詞】域控制器；無鑰匙進(jìn)入及啟動系統(tǒng)；低頻驅(qū)動芯片；低頻天線

中圖分類號：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）08-0059-03

Research on the Failure of Low Frequency Drive Chips in Automotive Body Controllers

CHEN Jianqiang1，ZHAO Wei2

（1. Great Wall Motor Co.，Ltd.，Baoding 071000；2. Intelligent Platform Development Center Great Wall Motor Haval Technology Center，Baoding 071000，China）

【Abstract】As the core module of the vehicle electrical control system，the body controller domain undertakes important functions such as vehicle electrical functions，encryption authentication，network communication，etc. Among them，the keyless entry system is particularly important as the basic function of the body controller domain. PEPS realizes functions such as active entry and exit vehicle detection，key positioning，anti-theft authentication，and low-voltage control. Key positioning is the foundation for achieving these functions. Key positioning consists of a low-frequency driving part and a key，and the low-frequency driving chip and low-frequency antenna form the low-frequency driving part. Once the low-frequency driving system is abnormal，the vehicle will not be able to start. This article focuses on the NXP NJJ29C2A9HN5 chip and conducts in-depth research on the failure of the low-frequency drive chip in the body controller domain. Some solutions are proposed to increase the reliability of the hardware in the body controller domain.

【Key words】CEM；PEPS；low frequency drive chip；low frequency antenna

作者簡介

陳建強(qiáng)（1980—），男，工程師，主要從事車身電子、車載網(wǎng)絡(luò)通信和混合動力系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、車聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)運(yùn)營、軟件分析與改進(jìn)研究工作。

1" 引言

目前市場上大部分車身域控制器CEM（Central Electronic Module）集成了PEPS（Passive Entry Passive Start，無鑰匙進(jìn)入及啟動系統(tǒng)）功能，并且隨著隱藏式門把手的應(yīng)用，這些車型往往采用主動進(jìn)入功能（Active Entry），這就增加了低頻天線LF（Low Frequency）的工作周期。CEM根據(jù)不同的功能或場景，按照一定的周期和時(shí)序驅(qū)動LF發(fā)送125kHz的低頻信號，智能鑰匙被LF信號喚醒，通過LF信號中的ID識別匹配關(guān)系后[1]，發(fā)送高頻信號給CEM。該信號包含不同位置低頻天線的RSSI值（Received Signal Strength Indicator，場強(qiáng)指示器），一般多采用433.92MHz FSK調(diào)制模式。CEM根據(jù)不同位置低頻天線的RSSI數(shù)值識別鑰匙的具體位置，并對鑰匙的身份進(jìn)行安全認(rèn)證，安全認(rèn)證通過后，開始動力系統(tǒng)的防盜認(rèn)證和電子轉(zhuǎn)向鎖解鎖動作，最后進(jìn)入動力可運(yùn)行狀態(tài)。PEPS功能硬件組成如圖1所示。

如果LF驅(qū)動芯片損壞，PKE（Pemote Keyless Entry，遙控功能）將無法使用，即使通過遙控功能開啟車門，車輛啟動時(shí)，無法驅(qū)動LF天線激活鑰匙進(jìn)行啟動安全認(rèn)證，CEM也無法識別鑰匙處于車內(nèi)區(qū)域（PS），所以用戶按下PEPS按鍵后，車輛是無法啟動的。本文基于恩智浦的NJJ29C2A9HN5低頻驅(qū)動芯片，對芯片典型的失效案例進(jìn)行分析，從芯片選型和裝配過程提出一些解決方案。

2" CEM LF天線驅(qū)動模塊的組成

該項(xiàng)目車型采用5個(gè)LF天線，車內(nèi)2根天線，分別布置在副儀表臺和后排座椅下方，覆蓋車內(nèi)區(qū)域（PS）；兩側(cè)前門門把手處分別布置一根天線，覆蓋前門外側(cè)區(qū)域（PE）；后保險(xiǎn)杠中間部位布置一根天線，覆蓋保險(xiǎn)杠下部區(qū)域。一般通過軟件仿真和實(shí)車標(biāo)定，確保天線覆蓋內(nèi)部溢出不超過50mm，外部溢出不超過150mm[2]。CEM根據(jù)高頻信號中每根天線的RSSI，結(jié)合內(nèi)部的軟件算法及標(biāo)定閾值判定鑰匙所處的位置，如圖2所示。

CEM的LF驅(qū)動芯片與MCU（TC399）采用SPI通信方式，MCU是Master Node，LF驅(qū)動芯片是Slave Node。MCU通過SPI通信方式向LF天線驅(qū)動芯片輸入命令，包括系統(tǒng)設(shè)置、天線驅(qū)動參數(shù)配置、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。在沒有連接LF天線時(shí)，通過調(diào)試工具讀取SPI數(shù)據(jù)，MCU發(fā)送CMD_NOP指令后，LF驅(qū)動芯片應(yīng)立即響應(yīng)RESP_GENERIC，如圖3所示，Response Data：C0 00 02 07 C0 18，通信數(shù)據(jù)解析見表1。

3" LF天線驅(qū)動芯片故障分析

該車型量產(chǎn)后經(jīng)常有用戶反饋PKE功能失靈且無法啟動車輛，對返回的故障件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)均為低頻驅(qū)動天線不工作，通過診斷服務(wù)讀取CEM故障碼，未顯示LF天線驅(qū)動回路相關(guān)故障，和實(shí)際故障表現(xiàn)不符合。一般情況下，如外部天線異常，LF天線驅(qū)動芯片內(nèi)部的驅(qū)動電路會診斷為相關(guān)故障，包括天線開路、內(nèi)部短路、外部短路、對電源短路、對地短路及驅(qū)動芯片故障等，但實(shí)際CEM并未存儲任何DTC。檢查芯片外圍電路正常后，使用調(diào)試工具觀察LF驅(qū)動芯片響應(yīng)MCU的情況，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障的CEM LF驅(qū)動芯片均無應(yīng)答，可以判斷該芯片已經(jīng)損壞。

通過對LF驅(qū)動芯片工作電流進(jìn)行分析，在12V VBAT條件下，故障樣品的電流僅為11μA，工作電流過低導(dǎo)致器件無法啟動，因此無法進(jìn)入ERROR/IDLE模式。工作電流分析見表2。

委托供應(yīng)商對芯片內(nèi)部進(jìn)行分析，故障是由電源管理單元內(nèi)的供電模塊VDDP引起的。這種故障是由VDDP輸出晶體管的柵極-源極的泄漏導(dǎo)致。這種泄漏導(dǎo)致VDDP輸出晶體管的輸出電壓過低，造成器件無法成功啟動。圖4顯示了VDDP輸出晶體管上的異常熱點(diǎn)，異常熱點(diǎn)表示該晶體管上的泄漏。

參照芯片數(shù)據(jù)手冊分析，NJJ29C2A9HN5集成了DCDC Controller、電源管理模塊PM、LF Driver Supply、LF Antenna等模塊，如圖5所示。DCDC Controller控制外部的一個(gè)Boost電路，用以給LF Driver Supply模塊提供天線驅(qū)動所需的能量。LF Antenna Driver模塊是LF天線驅(qū)動模塊，根據(jù)MCU指令，按照特定的時(shí)序，驅(qū)動所有或部分天線，每個(gè)天線驅(qū)動通道都是一個(gè)全橋驅(qū)動電路，通過電流驅(qū)動外部天線產(chǎn)生125kHz低頻信號。PM模塊內(nèi)部集成了VDDP和VDDD Regulators，給數(shù)字電路部分供電，其中VDDD Regulators給主要數(shù)字電路部分供電，VDDP Regulators給部分內(nèi)核數(shù)字電路供電，故VDDP在CEM接通KL30后會一直工作。

分析車輛產(chǎn)線組裝過程工藝，車輛安裝過程中僅有2個(gè)前門安裝時(shí)，CEM帶電熱插拔操作，其他天線都是在蓄電池安裝前已連接好插接件。安裝車門時(shí)會首先連接車門線束，此時(shí)車門或操作員工攜帶的靜電會通過LF天線傳遞到CEM。正電荷通過LF Driver的Up Bridge CMOS管寄生二極管到達(dá)DCDC回路的儲能Cout電容后釋放，不會對驅(qū)動芯片產(chǎn)生損傷。而當(dāng)靜電為負(fù)電荷時(shí)，與車身形成電位差，靜電荷通過LF Driver芯片的Down Bridge CMOS管寄生二極管到達(dá)車門，如果靜電能量很大，通過芯片的瞬間電流會很大，會造成VSS/VSSA產(chǎn)生地漂，導(dǎo)致內(nèi)部的VDDP-VSS或VDDD-VSS超過3.5V（最大電壓2.5V），最終導(dǎo)致PM進(jìn)入Latch-up狀態(tài)，此時(shí)VDDP Regulators更容易發(fā)生潛在損傷，如圖6所示。

Latch-up指CMOS晶片中在電源VDD和地線VSS之間由于寄生的PNP和NPN雙極性BJT相互影響而產(chǎn)生的低阻抗通路。以VDDP為例，根據(jù)LDO電路的特點(diǎn)，VDDP輸出穩(wěn)定在1.8V，ILatch_up的增加導(dǎo)致VDDP電壓下降，為保持VDDP恒定，基準(zhǔn)電壓Uref與取樣電壓Uin的差值增加，比較放大器輸出的驅(qū)動電壓Gdrv增加，CMOS管壓降減小，從而使輸出電壓升高。當(dāng)ILatch_up=76mA，Gdrv會超出最大峰值4.5V，此時(shí)CMOS的功耗不斷上升，可能會觸發(fā)芯片過熱保護(hù)，如圖7所示。

因Main Digital Part或Digital Island發(fā)生了Latch Up，會導(dǎo)致通過Regulator的電流過大，尤其是VDDP Regulator在不斷開KL30的情況下無法恢復(fù)，如圖8所示。

分析芯片PM模塊VDDP Regulator的失效過程，如表3所示，在車門組裝過程中，靜電導(dǎo)致VDDP Regulator受到潛在損傷，在車輛使用過程中由潛在損傷突然過渡到立即損傷狀態(tài)，導(dǎo)致整個(gè)芯片功能失效。通過靜電試驗(yàn)，在CEM上電狀態(tài)下，對開路的LF天線回路進(jìn)行空氣放電試驗(yàn)，放電電壓達(dá)到-25kV時(shí)會徹底損壞LF驅(qū)動芯片，損壞部位與圖4相同。

4" LF天線驅(qū)動芯片損傷解決方案

1）優(yōu)化CEM軟件。因LF天線驅(qū)動芯片帶電狀態(tài)下天線開路時(shí)耐靜電能力較差，當(dāng)沒有LF天線驅(qū)動任務(wù)時(shí)，此時(shí)盡量保持芯片在Low Power狀態(tài)下，此時(shí)VDDD處在不工作狀態(tài)，VDDP的損壞概率會降低。故LF驅(qū)動任務(wù)結(jié)束后，MCU通知LF驅(qū)動芯片從IDLE立即切換到Low Power狀態(tài)，以降低VDDP損壞的風(fēng)險(xiǎn)，如圖9所示。

2）增加靜電消除措施。對不同材質(zhì)的門芯板進(jìn)行靜電測量，發(fā)現(xiàn)材料較硬的材質(zhì)攜帶靜電的概率非常高，而軟質(zhì)門芯板靜電相對較低，對車門合裝區(qū)的車門移動工裝增加靜電釋放裝置，將車門門芯板上的靜電消除。同時(shí)將工裝操作把手改為帶靜電釋放功能的把手，分別消除車門和操作員工身體上的靜電，在連接車門與整車線束時(shí)，避免熱插拔靜電損傷低頻驅(qū)動芯片。經(jīng)驗(yàn)證可以基本遏制該問題。

3）硬件改進(jìn)。針對新開發(fā)的產(chǎn)品，采用抗靜電能力更強(qiáng)的Atmel ATA5291芯片，可以徹底解決熱插拔導(dǎo)致的驅(qū)動芯片損壞問題。

5" 結(jié)論

通過對恩智浦NJJ29C2A9HN5芯片的特性研究，分析了整車廠車門線束連接過程熱插拔時(shí)靜電對芯片的潛在損傷，分別制定了用于生產(chǎn)現(xiàn)場和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最終解決方案，積累了芯片失效分析的方法，提升了產(chǎn)品的適應(yīng)性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張茂和. 一種無鑰匙進(jìn)入和一鍵啟動系統(tǒng)（PEPS）設(shè)計(jì)方案[J]. 機(jī)電技術(shù)，2015（2）：90-94.

[2] 王洪武，王文建，馬謙，等. 基于FEKO的整車PEPS低頻天線工作有效性分析[J]. 安全與電磁兼容，2014（5）：63-67.

（編輯" 楊凱麟）