一種帶快速充電功能的后排空調面板方案設計

摘要：隨著科技的發(fā)展，越來越多的設備向著智能化方向發(fā)展，而智能化的設備必須有充足的電量才能保證其正常功能的實現(xiàn)。對于車主或者乘客，快速充電器的需求在不斷增加。汽車后排空調控制面板一般安裝在扶手屏的后面，能使后排用戶的筆記本和手機充電變得更加方便，因此快速充電功能集成后排空調面板的需求越來越大，其市場規(guī)模也越來越大。基于這一需求，設計了一種帶快速充電功能的后排空調面板。該面板以恩智浦S32K144 MCU為控制核心，能控制華為與小米等手機充電的協(xié)議芯片，輸出一定功率到后排空調面板的Type-C接口上，它安裝在車輛扶手后面，具有兼容性強、充電快速、控制方便靈活等優(yōu)點。

關鍵詞：PD30協(xié)議；Type-C接口；后排空調面板

中圖分類號：U462 收稿日期：2024-06-08

DOI：1019999/jcnki1004-0226202408022

1 前言

隨著社會的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，汽車已成為大眾生活重要的組成部分。科技的不斷進步促使節(jié)能減排、低碳環(huán)保的要求不斷提高，電動汽車已經(jīng)作為我國重點的發(fā)展方向，也是我國汽車工業(yè)實現(xiàn)彎道超車、跨越式發(fā)展的難得契機。隨著電動汽車的普及和用戶對充電速度不斷提高，車載Type-C快速充電已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車的標配，而后排空調面板由于安裝在扶手位置，可以更加方便給用戶筆記本或者手機快速充電，因此后排空調面板集成快速充電的需求越來越高，這種模式越來越得到消費者的青睞［1］。相比傳統(tǒng)的充電，該方案更加方便和高效，能為用戶的生活以及工作帶來更多便利。基于此，本文對一種帶快速充電功能的后排空調面板進行了研究。

2 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

本方案中，快速充電系統(tǒng)由觸摸模塊、LCD段碼顯示模塊、總線驅動模塊、S32K144主控模塊、線性電源模塊、華為私有充電協(xié)議模塊、PD30及小米與Oppo充電協(xié)議模塊、升降壓電源模塊、Type C接插件模塊組成。

S32K144模塊是接收各發(fā)送數(shù)據(jù)的主控模塊［2］，用戶按下后排空調按鍵，通過觸摸塊就能把信息傳輸?shù)街骺豈CU S32K144，主控單元收到相關信息，顯示LCD段碼模塊，并且把相關操作信息通過總線驅動模塊通知車外其他模塊，并執(zhí)行后排空調調節(jié)功能。

另外，關于快充充電模塊，用戶通過Type C接插件的CC1、CC2信號輸入到PD30協(xié)議模塊，或者通過D+、D-輸入信號到華為協(xié)議模塊，當PD30協(xié)議管理模塊檢測到終端用戶是什么設備，就可以通過調整升降壓模塊輸出相對應的電源電壓給手機或者終端設備充電，同時會把相關信息反饋到主控單元，將充電相關信息顯示到LCD段碼屏中，故具有更好操控顯示效果［2］。

3 機械結構設計

該產(chǎn)品機械結構如圖2所示。本設計結構是由IML面板表面模塊、LCD段碼顯示模塊、塑膠固定支架模塊、Rubber導電膠、顯示板PCB、主板PCB、鑄鋁后蓋模塊構成的。具體如下：

a.IML面板表面模塊由蓋板與觸摸膜片貼合組成，觸摸膜片通過FPC排線連接到顯示板PCB。

b.LCD段碼顯示模塊內部由背光燈顯示單元以及LCD段碼顯示組成的，其中背光燈與LCD顯示也是通過排線連接到顯示板PCB中。

c.塑膠固定支架模塊是為了固定IML表面塊和LCD段碼顯示模塊、顯示板PCB、主板PCB、鑄鋁后蓋模塊提供固定與支撐作用的。

d.顯示板PCB的作用是把觸摸信號、LCD背光信號、LCD段碼顯示信號傳傳輸?shù)街靼屣@示PCB中。

e.主板PCB與顯示板PCB由Block to Block連接器連接，主板PCB主要處理大電流、高功率的元件，這類元器件散熱需要通過鑄鋁后蓋單元釋放。

f.鑄鋁后蓋主要為主板PCB高功率電感、MOS管散熱模塊進行散熱，同時它與塑膠支架通過螺絲固定。

4 硬件電子設計

該快速充電功能后排空調面板系統(tǒng)以S32K144為核心，以觸摸模塊與Type C接插件為系統(tǒng)的輸入。當檢測到按鍵按下或者用電設備接入到主控單元S32K144，單片機檢測到相關數(shù)據(jù)后，通過LCD段碼顯示和CAN BUS輸出到整車其他執(zhí)行模塊，同時輸出升降模塊到Type C 供電管腳，完成快速充電電功能［3］。

41 S32K144模塊

S32K144 是兼容所有ARM工具和軟件的32位閃存處理器，性能在業(yè)界領先，在 80 MHz 頻率下工作，功耗在32位閃存中市場中最低的。由于引腳多且兼容性十分優(yōu)異，所以給開發(fā)者帶來了極大的設計靈活性。該處理器處理速度快，內部資源相對比較豐富，功能安全滿足ASIL-B，F(xiàn)lash空間支持512 kb，成為用戶的最佳選擇。

42 PD30充電協(xié)議模塊

PD30模塊目前方案上選擇較多，但集成小米與Oppo私有充電協(xié)議方案不多。本設計采用SC2021Q模塊作為輸出功率設計。該模塊是一款適用于汽車應用的Type-C/PD和DPDM快速充電控制器。它主要應用于車載充電器，其內部集成32位高性能MCU內核，25 kb內存和32 kb的MTP存儲器，支持私有快充協(xié)議，如小米與Oppo私有協(xié)議。SC2021Q［3］通過集成USB PD基帶PHY、Type-C檢測、雙DPDM PHY、內置VBUS放電路徑、VCONN電源、可編程反饋補償、電壓和電流檢測、10-bit ADC、雙10-bit DACs、NMOS柵極驅動器、I2C接口和保護電路，最大限度地減少外部組件。

43 華為充電協(xié)議模塊

華為私有充電協(xié)議市場方案有易充CPSQ8841和南芯SC2155Q。本設計采用南芯SC2155Q作為華為私有協(xié)議模塊。它集成了一個32位高性能微控制器核心，具有48k-Byte的MTP和3k-Byte的RAM，為許多應用程序提供了高效的解決方案，同時它預留了獨立空間存儲芯片ID碼，滿足客戶精準的防偽溯源需求［4］。

44 升降壓電源IC模塊

升降壓電源IC為Type C VBus管腳提供可調的電壓與電流。本設計使用南芯的SC8701Q作為升降壓模塊，這款IC是一款同步4開關升降壓控制器。無論輸入電壓高于、低于或等于輸入電壓，它都能有效地輸出電壓。SC8701Q［4］支持超寬的輸入和輸出電壓范圍，它可以支持27～36 V輸入范圍和2～36 V輸出范圍的應用。驅動電壓設置為10 V，充分利用外部MOSFET實現(xiàn)最高效率。

45 觸摸模塊IC

觸控給用戶的感覺更高科技、更潮流。本設計使用Microchip ATtiny3217微控制器。該方案具有兩個模數(shù)轉換器（adc），使其成為傳感器應用的理想選擇，包括電容觸摸界面。一個ADC可以與外設觸摸控制器（PTC）一起使用，用于觸摸信號采集，而第二個ADC監(jiān)測其他輸入，如熱敏電阻和壓力傳感器，或兩個ADC都可以用于不同類型的傳感器更快的采樣。一種基于硬件的事件系統(tǒng)，可以在不涉及CPU的情況下實現(xiàn)外圍間通信，減少延遲并確保更快的系統(tǒng)響應。ATtiny3217 MCU也有32KB的閃存，為應用程序代碼提供了足夠的空間，同時在PCB上保留了很小的物理空間。

46 LCD段碼顯示模塊

LCD顯示用于當用戶操作后排空調面板或者充電顯示相關信息給用戶，給用戶更加人性化HMI界面。LCD段碼顯示中，目前使用超聲的LCD，亮度達100 cd/m2，控制使用1/3 Bias，1/4 Duty進行相關設計。LCD驅動目前使用PCA8561芯片，該芯片是一款支持72字段碼輸出LCD驅動芯片，I2C接口控制，是一款非常低功耗的驅動IC。

47 Type-C連接器設計

Type-C接口是可以方便用戶連接到終端設備的一種快速充電的接口。本設計選用Type-C功能腳為立式SMT工藝、固定引腳為PIP工藝，這樣設計時保證焊接強度至少100 N，防止用戶損壞接插頭，詳細見圖3中的 Type-C接插件設計所示。其次選用Type-C連接器的重量與接觸面積的比<008 g/mm2，這樣可以防止SMD焊接時脫焊、掉件的問題，另外由于Type C接插件露出來到用戶端，故在設計上增加Rubber Mat 以防止用戶滴水到Type C中而引起短路等問題。最后由于要支持快速充電，故PIN A1、A4、A9、A12、B1、B4、B9、B12每個PIN 電流最大支持16 A。

48 其他硬件設計

由于需要滿足快充協(xié)議，故需要支持大電流輸出，針對小米私有協(xié)議要求的輸出電流最大，大約為62 A輸出，如果考慮雙充，輸出電流最大124 A輸出，故在電源輸入模塊要考慮防反設計。本方案使用PMOS進行相關設計，在設計時需要考慮脈沖電壓影響，需要在VGS兩端增加電容C2為47 NF電容，這樣可以避免MOS管GS端電壓瞬態(tài)變化從而進入米勒平臺，造成PMOS損壞。同時VGS兩端增加D1為18 V的穩(wěn)壓管，防止電源瞬態(tài)脈沖電壓超過芯片要求20 V以內，防止芯片損壞［5］。為了解決輸入端電源靜態(tài)電流問題，限流電流R1電阻設計為18 MΩ，這樣可以使用產(chǎn)品的靜態(tài)電流非常低，更低功耗。圖4所示為防反電路設計。

5 軟件設計

51 觸摸控制部分

觸摸控制部分由TP（Microchip Touch 觸摸控制端）與MCU（S32K144）通過IIC進行相關通信。

各模塊進行初始化完成之后，觸摸IC進行檢測邏輯判斷，當人手如按座椅加熱功能按鍵按下后，判斷其信號值-基準值>50（閾值），當其狀態(tài)是真，會通過IIC信息告訴MCU，MCU主控單元通過CAN BUS模塊把相關的信號發(fā)送到總線上，如果已經(jīng)觸發(fā)按鍵，則執(zhí)行按座椅加熱邏輯調整檔位。當其狀態(tài)為假，即無按鍵觸發(fā)，則保持之前座椅加熱狀態(tài)。觸摸控制部分流程如圖5所示。

52 快速充電部分

快帶充電部分由南芯PD協(xié)議芯片SC2021Q與南芯SC2155Q［5］進行相關通信。首次對SC2021Q以及SC2155進行初始化，當CC1/CC2 檢測到有設備按下時，SC2021Q通過AD口來控制Buck-Boost電源電壓輸出。當CC1/CC2沒有檢測到設備按下，而SC2155Q D+/D-檢測到有華為設備進入，通過UART信號告知SC2021Q 從而調整Buck-Boost，同時通知MCU主控單元進行相關LCD顯示信息更新。如果沒有收到華為設備接入信號，不調整Buck-Boost電源電壓。快速充電控制流程如圖6所示。

6 結語

本文把快速充電功能集成到后排空調面板上，使用Type C接口充電，可以滿足華為、小米、OPPO等快速充電協(xié)議，同時安裝在車內扶手屏背面位置，具有充電快，兼容性強、觸摸操作靈活、LCD可視化顯示等優(yōu)點，為用戶的生活和工作帶來了很多便利，故具有廣闊的市場發(fā)展前景。

參考文獻：

［1］崔選盟汽車空調結構、原理與維修［M］北京：北京大學出版社，2005

［2］恩智浦半導體S32K144規(guī)格書［Z］2020

［3］南芯半導體SC2021Q規(guī)格書［Z］2021

［4］南芯半導體SC8701Q規(guī)格書［Z］2022

［5］南芯半導體SC2155Q規(guī)格書［Z］2020

作者簡介：

梁展鴻，男，1983年生，電子技術工程師，研究方向為汽車機械電子。