英飛凌智能車輛燈光控制解決方案

宮江海 吳志紅

同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院英飛凌實(shí)驗(yàn)室 上海 200092
 

摘要：汽車的燈光系統(tǒng)是保證行車安全的重要因素之一。本文介紹了應(yīng)用英飛凌系列產(chǎn)品的智能車輛燈光控制系統(tǒng)解決方案。該方案應(yīng)用英飛凌XC164CS單片機(jī)和智能功率器件實(shí)現(xiàn)了對汽車車燈的開關(guān)控制和故障診斷。

關(guān)鍵詞：智能功率器件；故障診斷；燈光控制；XC164CS；英飛凌

An Intelligent Automobile Light Control Solution from Infineon

GONG JiangHai, WU ZhiHong 

 (TongJi University Infineon Lab, Shanghai 200092, China)

Abstract: Intelligent control of automobile light is one of important facts to assure driving security.  This paper presents an intelligent light control module based on Infineon’s microcontroller XC164CS and smart power devices. This control system is not only able to complete the switch-control of every light, but also able to realize failure diagnosis and protection of all bulbs.

Keywords: Smart power devices; Failure diagnosis; Light control; XC164CS; Infineon
 

引言

　　轎車的車燈大致分為兩類：（1）照明燈：如前照燈、霧燈、頂燈和牌照燈等。其要求是照明性能良好，同時不應(yīng)使對面來車和后車司機(jī)眩目；（2）標(biāo)識燈：如示廓燈、尾燈、制動燈、轉(zhuǎn)向信號燈、倒車燈等。其要求是必須對其它車輛的駕駛員和行人、交通警察給出及時、明確的信號，且在夜間能提供既不眩目又具有一定亮度的照明，對于制動燈，開啟的響應(yīng)時間應(yīng)盡量短，一般需控制在10ms之內(nèi)。

　　汽車燈光系統(tǒng)對于保證行車安全具有重要意義。傳統(tǒng)汽車以及現(xiàn)代普通汽車的燈光系統(tǒng)一般都采用繼電器直接驅(qū)動方式，這樣的控制方式存在一些固有的不足，主要表現(xiàn)在以下方面：

．功率繼電器勵磁線圈驅(qū)動電流較大，需要消耗較大的功率且接口電路復(fù)雜；

．太多的繼電器使控制器體積過大、重量增加；

．繼電器開關(guān)頻率相對較低，觸點(diǎn)容易抖動，因此很難滿足車輛在帶電情況下的機(jī)械振動，此外觸點(diǎn)抖動會影響繼電器的壽命，且EMI嚴(yán)重；

．難以有效實(shí)現(xiàn)對車燈的過熱、過壓、短路等保護(hù)和系統(tǒng)診斷；

．需配保險絲防止過流，但保險絲一旦動作（熔斷），電路將被徹底切斷，需手工更換保險絲。

　　汽車電子技術(shù)的發(fā)展，使得車輛的燈光控制也不再局限于簡單的開關(guān)控制。智能功率IC的應(yīng)用以及基于CAN/LIN的分布式設(shè)計，不僅大大提高了系統(tǒng)的可靠性，同時使得電子控制更加模塊化，系統(tǒng)功能的拓展更加靈活。

英飛凌智能車輛燈光控制模塊解決方案

　　英飛凌公司是世界知名的汽車電子半導(dǎo)體元器件供應(yīng)商，提供功能強(qiáng)大的微控制器，智能的高端功率開關(guān)PROFET，以及CAN/LIN的收發(fā)器等。我們設(shè)計了基于英飛凌16位單片機(jī)XC164CS的車輛燈光控制解決方案。在該方案中，利用智能功率IC替代繼電器和保險絲實(shí)現(xiàn)對所有車燈的控制，并可通過CAN/LIN總線傳遞控制和故障信息。相比較傳統(tǒng)的繼電器控制方案，該模塊的主要優(yōu)勢和功能體現(xiàn)在以下方面：

　?。?）用智能功率IC替代傳統(tǒng)的繼電器和保險絲，實(shí)現(xiàn)對轎車所有車燈的控制； （2）可通過CAN/LIN總線傳遞開關(guān)控制信息及故障診斷信息；（3）具有蓄電池反接保護(hù)，及負(fù)載過壓、欠壓、短路、過溫保護(hù)，可報告短路、開路故障信息；（4）微控制器采用PWM調(diào)制來實(shí)施軟啟動，及對車燈兩端的電壓進(jìn)行控制，從而有效限制車燈電流，延長車燈的使用壽命；（5）可實(shí)現(xiàn)車燈故障時的自動替換，例如尾燈失靈時可自動用剎車燈來替代；（6）雙通道CAN接口，單通道LIN接口，可作為高速CAN網(wǎng)絡(luò)和低速CAN網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)，或CAN網(wǎng)絡(luò)與LIN網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)；（7）系統(tǒng)具有休眠功能，減少了系統(tǒng)功耗。

　　該模塊具有廣泛的代表性，用戶可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行簡化、裁減。燈光控制模塊的系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1 燈光控制模塊的系統(tǒng)框圖

　　模塊中應(yīng)用的主要汽車級元器件來自英飛凌公司，各器件的主要功能描述如下：

　　車輛燈光控制主要是I/O控制，因此需要使用較多的I/O引腳。為了充分利用軟、硬件的資源，使的控制過程更加靈活，功能更加豐富，模塊實(shí)施的主要控制如下：

（1）PWM 控制軟啟動

　　對大功率前照燈在開啟階段實(shí)施PWM控制，這樣可降低車燈開啟階段的電壓，從而降低開啟階段的沖擊電流，PWM調(diào)制可保證燈泡電流始終工作在最佳狀態(tài)，從而延長燈泡的車燈的使用壽命。

　　PWM 信號的調(diào)制利用XC164CS內(nèi)部自帶的定時/計數(shù)器GPT2來實(shí)現(xiàn)，通過軟件配合，可對多個由I/O口控制的車燈在開啟階段實(shí)現(xiàn)靈活的PWM控制。其設(shè)計思路如圖2所示。

　　在圖2所示流程圖中，我們設(shè)定定時器中斷周期為0.5ms，PWM周期為10ms，則當(dāng)占空比為100％時，對應(yīng)的計數(shù)值為20。設(shè)定占空比每PWM周期增加10％，這樣從0增加到100％需要10個PWM周期，時間為100ms。

圖2 PWM軟啟動流程圖

（2）故障診斷功能

　　利用軟件開關(guān)實(shí)現(xiàn)對各個車燈狀態(tài)反饋的分時診斷，多個車燈共用一個微控制器輸入引腳，節(jié)約了I/O口。對于采用BTS6143D控制的大功率前照燈，每3個燈共用一個故障診斷輸入引腳，對于由BTS724控制的標(biāo)識燈，每4個燈共用一個故障診斷輸入引腳。

　　模塊中所用到的功率器件劃分為兩種類型的診斷組，一類是BTS724驅(qū)動的數(shù)字量診斷輸出組，另一類是BTS6143D驅(qū)動的模擬電流檢測診斷輸出組。

　　對于數(shù)字量輸出類型的診斷，可在OFF狀態(tài)下檢測到開路故障。這通過給狀態(tài)輸出加一個外部上拉電阻來實(shí)現(xiàn)。單個器件的所有輸出都分別通過上拉電阻由一個公共的二極管連接到+5V的電源，可以把待機(jī)電流降到最低。

　　對于模擬電流檢測診斷輸出組，其信號檢測引腳的模擬電流與負(fù)載電流是成比例的，且這個輸出與微控制器的ADC輸入連接，可檢測開路故障、欠載故障和過載故障。檢測信號能反映極低的負(fù)載電流到電流的限制值。另外模擬電流檢測輸出可用于測定所加負(fù)載是否正確，而且還能根據(jù)用戶要求實(shí)現(xiàn)對負(fù)載電流最大值的控制。

　　在ON狀態(tài)下診斷：

　　在負(fù)載接通的情況下進(jìn)行開路故障檢測和過載故障檢測。所有接通的負(fù)載周期性地進(jìn)行檢測。

　　在OFF狀態(tài)下診斷：

　　在負(fù)載關(guān)斷的情況下能進(jìn)行開路故障檢測，所有未被接通的負(fù)載周期性地進(jìn)行開路故障檢測。

（3）故障燈的替換

　　在檢測到尾燈故障時，報告故障信息并利用剎車燈暫時替代尾燈，同時利用PWM調(diào)制降低剎車燈的亮度，從而降低燈絲的發(fā)熱量保護(hù)燈罩。目前我們所設(shè)計的燈的替換規(guī)律如下：

　　除此之外，微控制器和功率半導(dǎo)體的應(yīng)用使得故障處理方式更加靈活，用戶可根據(jù)自己需求實(shí)現(xiàn)靈活的故障處理模式，并實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)上電時，對所有車燈進(jìn)行檢測，報告狀態(tài)信息。

總結(jié)

　　研究和開發(fā)了基于英飛凌XC164CS微控制器及智能功率IC的車輛燈光控制模塊，并經(jīng)過實(shí)際測試，實(shí)現(xiàn)了對一輛實(shí)際轎車中每個車燈的控制，以及對每個車燈的開路、短路故障診斷。在此基礎(chǔ)上，該模塊可以根據(jù)車廠的配置需求進(jìn)行優(yōu)化、擴(kuò)展或裁減，從而可方便的設(shè)計出滿足用戶特定需求的車輛燈光控制模塊，滿足市場對產(chǎn)品的高性能需求。

參考文獻(xiàn)

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[2]  User’s manuals of XC164CS, TLE7469GV52, BTS6143D, BTS724, SPD50N03S2L-06, Infineon Technology