摘 要：專用集成電路芯片（ASIC）是為特定工作場(chǎng)景和企業(yè)設(shè)計(jì)的集成電路，已經(jīng)成為集成電路發(fā)展的重要方向。智芯半導(dǎo)體科技有限公司研發(fā)的Z20M1343L型ASIC芯片首次應(yīng)用于乘用車車窗控制系統(tǒng)；北京經(jīng)緯恒潤(rùn)科技有限公司根據(jù)該芯片電子特性和一汽紅旗汽車提供的功能需求將智芯ASIC芯片用于門控制器（DCU）車窗驅(qū)動(dòng)控制電路。經(jīng)過(guò)理論和試驗(yàn)驗(yàn)證，Z20M1343L型ASIC芯片可以滿足乘用車控制器設(shè)計(jì)要求，性能可靠。

關(guān)鍵詞：ASIC芯片 乘用車控制器 門控制器 車窗驅(qū)動(dòng)電路

ASIC（Application Specific Integrated Circuit）芯片是為專門目的而設(shè)計(jì)的集成電路[1-5]。隨著集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，早先的通用控制驅(qū)動(dòng)芯片由于功能繁多導(dǎo)致制造成本高昂，對(duì)一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域和成本控制要求較高的企業(yè)而言出現(xiàn)了功能冗余的問(wèn)題；所以為了滿足不同行業(yè)的需求，ASIC芯片應(yīng)運(yùn)而生，并且逐步成為芯片設(shè)計(jì)的新方向。

本文將對(duì)智芯半導(dǎo)體科技有限公司研發(fā)的Z20M1343L型芯片與汽車車窗控制相關(guān)的功能進(jìn)行介紹，同時(shí)結(jié)合工信部下屬一汽紅旗汽車有限公司、智芯半導(dǎo)體科技有限公司和北京經(jīng)緯恒潤(rùn)科技股份有限公司聯(lián)合開發(fā)的DCU（Door Contral Unit，門控制單元）中車窗控制電路介紹Z20M1343L在車窗控制系統(tǒng)方面的硬件電路設(shè)計(jì)思路。

1 智芯ASIC芯片功能介紹

智芯半導(dǎo)體科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“智芯”）研發(fā)的Z20M1343L是車規(guī)級(jí)芯片，符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)。該芯片主要具備與車窗控制有關(guān)的功能有：（1）支持3個(gè)外部半橋驅(qū)動(dòng)的柵極控制器；（2）集成內(nèi)部電荷泵；（3）支持外部H橋驅(qū)動(dòng)電路相關(guān)診斷。

智芯ASIC芯片的H橋驅(qū)動(dòng)器和電荷泵對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。以下將對(duì)相關(guān)功能進(jìn)行介紹。

1.1 智芯ASIC芯片的外部H橋驅(qū)動(dòng)電路所用的電荷泵（Charge Pump）

由圖一可知，ASIC芯片的輸出管腳VCP作用于外部H橋柵極驅(qū)動(dòng)電路的高邊MOSET（以下簡(jiǎn)稱MOS）的柵極驅(qū)動(dòng)器。這樣做的原因是外部H橋驅(qū)動(dòng)電路的控制開關(guān)所使用的為NMOS，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí)：ASIC芯片的VS（內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路供電輸入管腳）連接電路板的UB_Filter（功率電，可以實(shí)現(xiàn)大電流輸出）；NOMS的D極（漏極）也連接在電路板的UB_Filter，S極（源極）連接電路板對(duì)外輸出接插件端；當(dāng)MOS打開時(shí)，由于MOS的導(dǎo)通電阻RDS（ON）很?。ㄒ话銥楹翚W級(jí)），所以在MOS上的壓降近似可以忽略，在MOS的S極輸出電壓約等于UB_Filter電壓；如果沒(méi)有電荷泵的存在，則高邊MOS的柵極驅(qū)動(dòng)器輸出電壓最大為UB_Filter電壓，導(dǎo)致高邊MOS的Vgs（VG-VS）電壓為0V，不能達(dá)到NOMS的開啟閾值VGS（th），NMOS不能正常開啟。電荷泵的作用是通過(guò)自身內(nèi)部升壓電路將VS管腳輸入的UB_Filter電壓升高后作用于高邊MOS的柵極驅(qū)動(dòng)器，使得高邊MOS的Vgs高于MOS的開啟閾值，保證MOS可以正常打開。

1.2 智芯ASIC芯片的外部功率電監(jiān)測(cè)電壓輸入管腳VDH

智芯ASIC芯片對(duì)外部H橋驅(qū)動(dòng)具有OFF（驅(qū)動(dòng)停止）狀態(tài)下的開路診斷功能和ON（驅(qū)動(dòng)進(jìn)行）狀態(tài)下的MOS過(guò)流診斷功能。ON狀態(tài)時(shí)檢測(cè)外部H橋驅(qū)動(dòng)電路過(guò)流的檢測(cè)機(jī)制為：高邊MOS的輸出端（高邊MOS的源極）短地時(shí)，由于此時(shí)UB_Filter功率電和板端GND之間的阻抗僅為MOS的導(dǎo)通電阻，所以理論通過(guò)高邊MOSFET的電流為無(wú)窮大，高邊MOS的D極和S極之間的電壓會(huì)比正常驅(qū)動(dòng)時(shí)升高，芯片通過(guò)檢測(cè)高邊MOS在ON狀態(tài)時(shí)的VDS判斷相應(yīng)MOSFET有過(guò)流情況發(fā)生。而高邊MOS的D極電壓（即UB_Filter）由VDH管腳輸入芯片，由內(nèi)部電路輸入監(jiān)測(cè)電路所用運(yùn)放的正向輸入端，運(yùn)放的反向輸入端連接高邊MOS的S極，當(dāng)高邊MOS的VDS超限即VVDH-VSHx的電壓超過(guò)設(shè)置閾值時(shí)運(yùn)放輸出的信號(hào)電壓值超過(guò)檢測(cè)閾值，芯片判定為高邊MOS發(fā)生過(guò)流情況。

1.3 智芯ASIC芯片的ON狀態(tài)過(guò)流診斷功能

在介紹芯片的VDH管腳時(shí)已經(jīng)對(duì)ON狀態(tài)下高邊MOS的過(guò)流診斷機(jī)制進(jìn)行了介紹，現(xiàn)介紹低邊MOS的過(guò)流診斷機(jī)制：低邊MOS的D極連接ASIC芯片的SHx，而S極連接芯片的SLx管腳：芯片內(nèi)部SHx管腳連接低邊MOS過(guò)流監(jiān)測(cè)運(yùn)放的正向輸入端；SLx連接低邊MOS過(guò)流監(jiān)測(cè)運(yùn)放的反向輸入端，同時(shí)連接板端GND；當(dāng)?shù)瓦匨OS的輸出接插件（對(duì)應(yīng)低邊MOS的D極）短路到電路板供電電源時(shí)，由于流經(jīng)低邊MOS的電流比正常驅(qū)動(dòng)時(shí)增大，所以低邊MOS的VDS電壓增大；此時(shí)低邊MOS過(guò)流監(jiān)測(cè)運(yùn)放的輸出電壓超過(guò)過(guò)流檢測(cè)閾值，芯片判斷為低邊MOS過(guò)流。

2 智芯ASIC芯片外圍電路設(shè)計(jì)參考因素

2.1 智芯ASIC芯片柵極驅(qū)動(dòng)器的Blanking time和Filter time

根據(jù)本文之前的介紹，ASIC芯片具有外部H橋驅(qū)動(dòng)電路ON狀態(tài)下MOS的過(guò)流診斷功能，從而避免發(fā)生短路情況MOS過(guò)大電流溫度升高燒毀MOS。由于MOS管的開啟速度相對(duì)其他器件較慢，所以MOS管的開啟時(shí)間不能忽略。常用評(píng)估MOS管開啟時(shí)間的計(jì)算公式如下：

智芯ASIC芯片提供了可以通過(guò)軟件設(shè)置的Blanking time和Filter time。Blanking time可以理解為從芯片開始驅(qū)動(dòng)外部MOS時(shí)刻開始，到Blanking time結(jié)束時(shí)間段內(nèi)芯片不做任何診斷功能，這段時(shí)間內(nèi)可以認(rèn)為是“空白”時(shí)間；Filter time可以理解為當(dāng)MOS兩端的Vds電壓超限后芯片并不是馬上判定為過(guò)流情況發(fā)生，而是要依據(jù)檢測(cè)電壓持續(xù)超過(guò)限值達(dá)到Filter time后才判定為過(guò)流。在配置Blanking time值時(shí)，Blanking time要接近并略大于MOS的開啟時(shí)間（實(shí)測(cè)值）。

2.2 車窗控制開關(guān)所用MOSFET的導(dǎo)通電阻[RDS（ON）]

MOS在導(dǎo)通時(shí)其內(nèi)阻不可忽略，該阻值一般為mΩ級(jí)。H橋電路在工作時(shí)流經(jīng)MOS的電流為幾安培或者幾十安培，同時(shí)MOS的熱阻（RθJA）比較高，所以MOS持續(xù)打開時(shí)升溫需要重視[6]，避免溫升超過(guò)MOS的結(jié)溫范圍TJ導(dǎo)致MOS燒毀。一般評(píng)估MOS的溫升情況是否符合要求的計(jì)算公式如下：

式中：Imax——需求中流經(jīng)MOS的最大電流值；

T0——需求中要求系統(tǒng)工作最高環(huán)境溫度；

RDS（ON） ——環(huán)境溫度為T0時(shí)MOS的導(dǎo)通電阻；

RθJA——MOS的熱阻；

TJmax——MOS結(jié)溫的最大值；

以上是智芯ASIC芯片車窗驅(qū)動(dòng)控制相關(guān)電路設(shè)計(jì)時(shí)的重點(diǎn)考慮因素。

3 車窗驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

實(shí)際車窗驅(qū)動(dòng)控制電路的系統(tǒng)框圖如圖2所示。具體由車窗驅(qū)動(dòng)電路、工作電流回采電路組成。其中車窗驅(qū)動(dòng)電路采用H橋驅(qū)動(dòng)電路，用N溝道MOSFET做開關(guān)管，具體實(shí)現(xiàn)的功能為：（1）控制車窗電機(jī)的正向/反向轉(zhuǎn)動(dòng)；（2）在H橋驅(qū)動(dòng)電路做PWM型信號(hào)輸出時(shí)實(shí)現(xiàn)車窗電機(jī)的續(xù)流動(dòng)作避免電機(jī)損傷。工作電流回采電路通過(guò)采樣電阻將車窗驅(qū)動(dòng)電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，為方便后續(xù)MCU采集運(yùn)算，通過(guò)后續(xù)運(yùn)算放大器放大后輸入MCU的AD采集端口。

H橋電路實(shí)際工作時(shí)電流流動(dòng)方向如圖3所示，在做續(xù)流動(dòng)作時(shí)電機(jī)電流流通路徑如示意圖如圖4所示。

3.1 H橋電路控制電機(jī)的正向/反向轉(zhuǎn)動(dòng)

紅旗ASIC芯片國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目所用H橋驅(qū)動(dòng)控制電路外部開關(guān)管采用的是NMOS。結(jié)合圖3中流過(guò)電機(jī)的電流方向介紹H橋電路控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的原理。以電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為例：此時(shí)，智芯ASIC芯片的外部H橋柵極驅(qū)動(dòng)器控制GH1和GL2對(duì)應(yīng)的控制管腳輸出電壓拉高，對(duì)應(yīng)的NMOS管Q1和Q4打開；同時(shí)智芯ASIC芯片的外部H橋柵極驅(qū)動(dòng)器控制GH2和GL1對(duì)應(yīng)的控制管腳輸出電壓拉低，對(duì)應(yīng)的NMOS管Q2和Q3關(guān)閉。這樣電路板上的功率電通過(guò)MOS管Q1、車窗驅(qū)動(dòng)電機(jī)M和MOS管Q4回到板端GND，從而形成供電回路；電流順時(shí)針流過(guò)電機(jī)從而使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)需要車窗控制電路輸出PWM型控制信號(hào)時(shí)，智芯ASIC芯片將要求的PWM波形輸入MOS管Q1的GH1管腳，從而使MOS管Q1的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)為PWM；同時(shí)智芯ASIC芯片控制GL2電壓為常高，保證低邊MOS管Q4一直保持打開狀態(tài)；這樣就能使H橋的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)為PWM形式。當(dāng)需要控制車窗電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)原理與順時(shí)針時(shí)相同，只需改為：將MOS管Q2和Q3打開，Q1和Q4關(guān)閉即可。

3.2 H橋電路輸出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)的續(xù)流動(dòng)作

在實(shí)車控制車窗玻璃升降過(guò)程中，有要求車窗控制電路做PWM信號(hào)輸出的要求。在做PWM信號(hào)輸出時(shí)，會(huì)有高邊MOS關(guān)閉的情況（同樣以車窗電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為例）：此時(shí)，如果對(duì)應(yīng)的低邊MOS關(guān)閉，由于電機(jī)是感性負(fù)載，即具有流過(guò)“電感”的電流不能突變的特性，電機(jī)內(nèi)部會(huì)有一個(gè)大電流不能釋放，而是以電機(jī)發(fā)熱的形式消耗，導(dǎo)致有電機(jī)燒毀的風(fēng)險(xiǎn)。所以需要有高邊MOS關(guān)閉時(shí)的續(xù)流動(dòng)作：即當(dāng)高邊MOS管Q1關(guān)閉時(shí)，低邊MOS管Q4保持打開狀態(tài)，同時(shí)打開MOS管Q3。這樣做的目的是：電機(jī)中的電流可以通過(guò)MOS管Q4回到板端GND，板端GND連接在一起，電流通過(guò)走線回到MOS管Q3連接的GND，經(jīng)過(guò)MOS管Q3后回到電機(jī)另一端，從而形成電機(jī)電流泄放路徑，電機(jī)由于感性特性儲(chǔ)存的能量以電流的形式通過(guò)電機(jī)自己緩慢消耗，避免電機(jī)損毀。

雖然MOS管在生產(chǎn)過(guò)程中由于工藝特性會(huì)有體二極管，在NMOS中該體二極管的導(dǎo)通方向是從MOS的S極（源極）至D極（漏極）；雖然也可以允許電流通過(guò)，但是這樣做續(xù)流的風(fēng)險(xiǎn)是該體二極管的過(guò)流能力小，如果電機(jī)的工作電流大，用體二極管續(xù)流時(shí)有燒毀體二極管的風(fēng)險(xiǎn)，所以采用直接打開MOS的方式做續(xù)流。

3.3 車窗電流回采電路

車窗電機(jī)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，需要采集車窗電機(jī)的電流信號(hào)用于車窗玻璃位置和堵轉(zhuǎn)電流檢測(cè)。所以在電路設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)通過(guò)MCU進(jìn)行檢測(cè)。在電路中，采樣電阻被放置在H橋低邊MOS與板端GND之間，這樣做的目的是既可以監(jiān)測(cè)電機(jī)正常工作時(shí)的電流值，也可以兼顧監(jiān)測(cè)續(xù)流時(shí)的電流值。

在電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，為提高對(duì)流經(jīng)車窗電流的檢測(cè)精度，通過(guò)運(yùn)放算放大芯片將初始電壓信號(hào)做適當(dāng)放大。由于運(yùn)放芯片存在“Offset Voltage”（失調(diào)電壓），該失調(diào)電壓值可能會(huì)導(dǎo)致在沒(méi)有電流流經(jīng)采樣電阻時(shí)MCU采集到的電壓為負(fù)值，超出MCU的AD檢測(cè)范圍；所以為避免Offset Voltage的影響，在運(yùn)放芯片的信號(hào)輸入端設(shè)置有上拉電壓，從而抵消失調(diào)電壓的影響。

4 驗(yàn)證結(jié)果

目前，北京經(jīng)緯恒科技有限公司基于智芯ASIC芯片研發(fā)的用于一汽紅旗某車型的門控制器電路已經(jīng)完成理論設(shè)計(jì)驗(yàn)證和硬件電路測(cè)試。相關(guān)器件選型和ASIC芯相關(guān)寄存器參數(shù)設(shè)置滿足紅旗汽車目標(biāo)車型應(yīng)用需要。

5 結(jié)語(yǔ)

本文所述項(xiàng)目是智芯ASIC芯片首次應(yīng)用于乘用車車窗控制電路，經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，該型國(guó)產(chǎn)化芯片滿足車規(guī)級(jí)芯片的應(yīng)用要求。智芯ASIC芯片的設(shè)計(jì)應(yīng)用，進(jìn)一步增加了芯片技術(shù)國(guó)產(chǎn)化的信心，為芯片全國(guó)產(chǎn)化的目標(biāo)注入了積極動(dòng)力。

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