某重型汽車方向盤LIN 開關故障分析

翟明磊， 趙掌柱， 安 旺， 李惠宇， 郭志龍， 成衛毅， 黃 河

（陜西汽車集團股份有限公司技術中心， 陜西 西安 710075）

1 引言

隨著汽車工業的快速發展， 人們對汽車的舒適性、 操縱性及安全性越來越重視。 目前汽車駕駛員在駕駛過程中已不是單純的駕駛行為， 越來越多的信息交互融入到汽車設計當中。 多功能方向盤開關作為重要的人機交互界面融入了多媒體、 儀表以及定速巡航等功能的控制， 其本身也從最初的硬線模擬信號點對點控制演變為LIN通信控制的數字開關。 LIN通信技術的應用能夠明顯地減少線束回路與插件的使用， 同時增加開關系統的拓展性； 其在控制整車成本、 質量、 可靠性的基礎上極大地豐富方向盤開關功能。

2 LIN網絡及開關設計

本文涉及的某重型汽車開關網絡拓撲， 包括多功能方向盤開關、 門控開關及室內照明開關等模塊。 這些模塊都作為車載某LIN網絡的從節點 （Slave Node） 采集車輛各種開關狀態， 通過LIN總線發送給主節點 （Master Node） 車身控制器 （BCM）。 BCM接收到駕駛員反饋的各種開關信息， 通過邏輯運算， 執行各種車身電器控制動作， 例如多媒體、 儀表、 門窗等控制功能。 圖1為某LIN網絡拓撲結構。

圖1 某LIN網絡拓撲結構

目前典型方向盤開關的硬件主要包括上下殼體、 導電橡膠墊、 防水結構、 PCB電路板、 限位機構及附件等。 在設計方向盤開關結構過程中， 根據整車功能需求， 確定方向盤開關的控制功能需求、 信號輸入方式、 引腳數量及定義、 接插件選型等參數。 在LIN開關的PCB板中， 收發器是其最重要的部件， 是控制器與LIN總線之間的接口； 發送數據時收發器將MCU的TXD管腳輸入的發送數據轉換為LIN總線信號； 接收數據時收發器檢測LIN總線的數據， 通過RXD管腳發送到MCU； 從而實現與主節點的信息交互。

本文涉及到的LIN 收發器為NXP （恩智浦半導體）TJA1020T， 具體參數如表1所示。 為滿足重型汽車24V系統的需求， 需通過分壓電路來滿足其電壓需求。

表1 快速參考數據

3 故障描述

某重卡車型試驗樣車在高原路試行車過程中， 出現多功能方向盤開關功能失效， 無法實現儀表、 多媒體等控制功能。

4 原因分析

通過診斷儀器讀取車輛故障信息并對故障現象與故障代碼進行關聯性分析， 該車顯示D20187 （BCM與方向盤開關通信超時故障） 當前故障。 初步診斷原因是方向盤開關線束回路斷路或者開關本體故障。

4.1 線路排查

檢閱維修電路圖， 確認方向盤開關線束回路： BCM—主線束—時鐘彈簧—方向盤開關線束—開關本體； 用萬用表測量回路是否導通， 確認開關電源、 搭鐵、 LIN線回路正常； 同時更換新多功能方向盤開關后進行測試， 其多媒體、儀表等控制功能恢復正常。 排除了線束回路故障導致開關功能故障的因素。

4.2 開關故障排查

對故障件提供24V電， 同時連接LIN診斷工具和診斷電腦， 如圖2所示； 按下操作開關按鍵， 發現LIN診斷工具顯示紅色故障燈， 同時診斷軟件顯示報文故障； 初步判斷LIN開關控制器損壞導致功能故障。

圖2 診斷工具和診斷電腦

進一步檢測故障件PCB 板，發現LIN收發器附近存在明顯的燒蝕現象， 用萬用表測量其PIN腳， 發現PIN腳6存在搭鐵短路故障。 更換新LIN收發器后搭鐵短路故障消除， 明確故障點位于LIN收發器中。 針對拆下的LIN收發器， 使用萬用表檢測收發器發現PIN腳5、 PIN腳6存在短路， 查詢LIN收發器NXP TJA1020T使用手冊如表2所示， PIN腳5接搭鐵，與上文PIN腳6對搭鐵短路現象吻合。 綜上所述， 開關故障為LIN收發器燒蝕導致PIN腳6 （LIN輸出） 對搭鐵短路。

表2 引腳

對故障件LIN收發器芯片進一步檢測發現， 收發器芯片內部MOS管Q1 （圖3） 失效短路， 可以明確故障LIN收發器芯片因受到瞬時高壓， 從而引起短路失效。 下一步需明確LIN收發器芯片受到瞬時高壓來源。

圖3 收發器芯片內部MOS管Q

根據上文分析并查詢開關PCB板電路圖， 初步分析瞬時高壓來源有以下兩點： ①LIN收發器芯片V電源輸入端瞬時高壓； ②LIN收發器芯片LIN總線回路端瞬時高壓。

LIN收發器芯片V電源輸入端瞬時高壓： LIN收發器芯片V的供電分壓電路如圖4所示， 電源分壓回路中有TVS管、 電容、 電阻保護。 TVS管是一種二極管形式的高效能保護器件， 當TVS二極管的兩極受到反向瞬態高能量沖擊時， 它能以10的負12次方秒量級的速度， 將其兩極間的高阻抗變為低阻抗， 吸收高達數千瓦的浪涌功率， 使兩極間的電壓鉗在一個預定范圍值， 從而有效地保護電子線路中的精密元器件免受各種浪涌脈沖的沖擊。 經查詢本開關使用的TVS管型號為SMBJ33A， 其鉗位電壓范圍36～40.6V。 查詢LIN收發器芯片NXP TJA1020T使用手冊， 其最大承受瞬時電壓V為40V。 綜上所述， 選擇的TVS管的最大鉗位電壓大于LIN收發器的最大電壓值， 因此LIN收發器芯片存在燒蝕的風險。

圖4 LIN收發器芯片VBAT的供電分壓電路

LIN總線回路端瞬時高壓： 收發器LIN總線端電路圖如圖5所示， 收發器芯片LIN總線回路中只有電容保護， 在受到脈沖電壓影響時， 無法保證回路電壓保持在LIN控制器芯片Vtrt （LIN） 范圍-40～+150V內。 同時查閱LIN總線主節點BCM硬件電路中同樣無TVS管保護。 綜上所述， LIN總線回路存在受到脈沖電壓影響， 導致LIN控制器芯片燒蝕的風險。

圖5 收發器LIN總線端電路圖

5 整改措施及驗證

1） 故障原因： 綜上所述， 故障原因為： ①LIN收發器芯片電源輸入電路選擇TVS規格超出芯片最大承受V； ②LIN總線回路主/從節點電路設計電路保護不足。

2） 整改措施： ①LIN收發器芯片V電源輸入端電路中更 換TVS 管， 型 號 為SMBJ30A， 其 鉗 位 電 壓 范 圍33.3 ～36.8V， 滿足設計要求的供電回路瞬時電壓值小于LIN收發器芯片最大承受電壓V40V； ②在LIN總線端增加型號為SMBJ30A的TVS管保護， 收發器芯片Vtrt （LIN） 范 圍-40 ～+150V，其可以滿足電路中LIN收發器芯片保護的需求。

3） 效果驗證： ①對整改樣件進行靜放電、 傳導耦合/瞬態抗干擾試驗， 試驗結果表明， 其狀態滿足設計要求； ②整改樣件進行實車1萬公里高原試驗， 試驗過程各項功能正常， 滿足設計需求。

6 總結

在本案例中， 通過對故障現象所涉及系統由外至內的分析， 逐步找出LIN開關單件故障原因及其背后隱藏的設計缺陷， 為后續此類故障的排查與LIN開關設計提供了參考，具有一定的借鑒價值。 同時也提示我們在進行汽車電路設計過程中要時刻意識到設計校驗與試驗的重要價值。