隨著汽車電子控制器在汽車裡的數量越來越多,對於汽車電子控制器靜態電流的要求也在不斷提高。如何降低汽車電子控制器的靜態電流,也成為系統硬體設計中的一個難點和挑戰。本文將就此主題進行討論,闡述如何從硬體設計角度來降低靜態電流。

圖1給出了典型的汽車電子模組示意圖,由於這個主題所涉及的範圍較多,本文僅討論以下三種情況下的靜態電流處理:

  • 主動低有效輸入(Active Low Input);
  • 主動低有效輸出(Active Low Output);
  • 對電源的處理。

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圖1:典型的汽車電子模組示意圖。

主動低有效輸入

圖2為主動低有效輸入的電路圖。圖中V+= 12.8V,S1為「開」的狀態,微處理器供電電壓為5.0V。 20191113_Automotive_TA31P2

圖2:主動低有效輸入電路圖。

如果按照IQ = 12.8V/(R1+R2+R3) = 86mA來計算這個電路的漏電流,那可能就錯了!正確的計算是:絕大多數微處理器的I/O埠都會有一個用於輸入保護的箝位二極體(Clamp Diode),例如圖3中的D2。箝位二極體D2會連接到微處理器的供電電源,因此實際用來分析的電路應該是如圖3所示。

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圖3:帶有箝位二極體的主動低有效輸入電路圖。

因此,IQ =[V + (-5.6V)]/(R1 + R2) = 148(mA)。

這個計算結果和未考慮箝位二極體的計算結果有62mA的差別(148mA - 86mA = 62mA),對於有多個主動低有效輸入的控制器來說(比如車身控制器BCM),還是不能忽視的。

為了更有效地驗證控制器中的靜態電流,還需要仔細驗證如下的每一項:

  • 如果可以的話,關掉上拉電阻,因為它會提供電流到接地的路徑;
  • 哪個輸入接腳是高有效、低有效、不活動狀態或開路狀態?
  • 是否有任何外部負載或開關與輸入或輸出並聯?它們的狀態是什麼?

主動低有效輸出

對於主動低有效輸出電路,又該如何考慮連接負載後在模組中的漏電流呢? 對於雙極性電晶體(BJT)集電極開路(OC)的應用(圖4),要特別注意溫度變化對漏電流的影響,特別是ICEO對電晶體BJT的影響。ICEO是由少數電荷載子漂移運動形成的,它與環境溫度關係很大,ICEO隨溫度上升會急劇增加。溫度每上升10℃,ICEO將增加一倍。用MOSFET作為低側輸出或者高側輸出則好很多(圖5),因為MOSFET本身的源漏電流就很小,且MOSFET對溫度的變化並不敏感。

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圖4:雙極電晶體BJT的集電極開路(OC)電路。

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圖5: MOSFET作為低側輸出。

在主動低有效輸出情況下,考慮最佳化靜態電流的一些對策包括:

  • 考慮用MOSFET或者達林頓管(Darlington Tube)來替代雙極電晶體;
  • 哪些輸出為開、關、外部接地或供電?

為了更加精確地分析控制器的靜態電流,可以用表格把每個單元電路「貢獻」的靜態電流全部列出(表1)。這樣可以一目瞭然,對控制器的靜態電流的分佈熟諳於心。

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表1:每個單元電路「貢獻」的靜態電流清單。

表1可以看出,規格表(Spec)要求最大靜態電流是2.0mA,分析出來的結果是2.46mA,最差電路分析情況下是2.934mA。總靜態電流超過了規格表的要求,接下來的設計任務就是如何進一步減少每個單元電路的靜態電流來滿足規格表的要求。

對電源的處理

用處理器的I/O控制在系統關電(點火開關「關」)時把不用的電源關掉是個不錯的辦法。如圖6所示,VBATT1經過一個受處理器I/O控制的開關變成VSWBAT——圖6中Q24的基極B用處理器的一個I/O來控制,置「高」時VSWBAT打開,置「低」時VSWBAT關閉。這樣可以在需要有VBATT1供電時再接通它。

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圖6:用軟體控制在系統關電時把不用的電源關掉。

以下為對電源處理的一些設計建議:

  • 考慮使用更低靜態電源功耗的IC;
  • 對於開關電路,選擇NPN/PNP配置,以便所有設備都能在靜態狀態下關閉(不需要一個電晶體打開那就用另一個電晶體來保持它關閉);
  • 辨識電流流過的每個供電(或接地)路徑,僅包括電流通過模組,而不是繞過模組的電流。

上面初步討論了對於降低靜態電路的一些建議和經驗。對於汽車電子的整體設計來說,這些還是不夠的,還需要在系統的層面來做更深入的研究,例如以下的一些建議。

更進一步考慮用於減少系統靜態電流的一些建議:

  • 盡可能降低開關時脈速度(尤其是微處理器的振盪器);
  • 使用具有可用中斷或喚醒輸入的微處理器,這些輸入可以配置為允許微處理器「休眠」;
  • 降低必須間歇性喚醒然後重新進入睡眠狀態的電路的占空比;
  • 對於必須在靜態電流期間保持某些功能的模組,請考慮倍頻頻率或雙處理器架構;
  • 同樣地,考慮使用允許主處理器在能夠響應的情況下休眠的專用匯流排通訊IC。

綜上所述,靜態電流的控制只有在設計的初期做好整體的架構拓撲設計、元件選型和最佳化、設計最佳化以及軟體控制策略結合等工作,才可以將靜態電流控制在規格表的範圍以內。

本文同步刊登於電子技術設計雜誌2019年11月號