基于智芯ASIC芯片用于汽車車窗控制相關功能介紹與實際電路設計的研究

摘 要：專用集成電路芯片（ASIC）是為特定工作場景和企業設計的集成電路，已經成為集成電路發展的重要方向。智芯半導體科技有限公司研發的Z20M1343L型ASIC芯片首次應用于乘用車車窗控制系統；北京經緯恒潤科技有限公司根據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）車窗驅動控制電路。經過理論和試驗驗證，Z20M1343L型ASIC芯片可以滿足乘用車控制器設計要求，性能可靠。

關鍵詞：ASIC芯片 乘用車控制器 門控制器 車窗驅動電路

ASIC（Application Specific Integrated Circuit）芯片是為專門目的而設計的集成電路[1-5]。隨著集成電路技術的快速發展，早先的通用控制驅動芯片由于功能繁多導致制造成本高昂，對一些特殊應用領域和成本控制要求較高的企業而言出現了功能冗余的問題；所以為了滿足不同行業的需求，ASIC芯片應運而生，并且逐步成為芯片設計的新方向。

本文將對智芯半導體科技有限公司研發的Z20M1343L型芯片與汽車車窗控制相關的功能進行介紹，同時結合工信部下屬一汽紅旗汽車有限公司、智芯半導體科技有限公司和北京經緯恒潤科技股份有限公司聯合開發的DCU（Door Contral Unit，門控制單元）中車窗控制電路介紹Z20M1343L在車窗控制系統方面的硬件電路設計思路。

1 智芯ASIC芯片功能介紹

智芯半導體科技有限公司（以下簡稱“智芯”）研發的Z20M1343L是車規級芯片，符合AEC-Q100標準。該芯片主要具備與車窗控制有關的功能有：（1）支持3個外部半橋驅動的柵極控制器；（2）集成內部電荷泵；（3）支持外部H橋驅動電路相關診斷。

智芯ASIC芯片的H橋驅動器和電荷泵對應的系統框圖如圖1所示。以下將對相關功能進行介紹。

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

由圖一可知，ASIC芯片的輸出管腳VCP作用于外部H橋柵極驅動電路的高邊MOSET（以下簡稱MOS）的柵極驅動器。這樣做的原因是外部H橋驅動電路的控制開關所使用的為NMOS，在實際電路設計時：ASIC芯片的VS（內部驅動電路供電輸入管腳）連接電路板的UB_Filter（功率電，可以實現大電流輸出）；NOMS的D極（漏極）也連接在電路板的UB_Filter，S極（源極）連接電路板對外輸出接插件端；當MOS打開時，由于MOS的導通電阻RDS（ON）很小（一般為毫歐級），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；如果沒有電荷泵的存在，則高邊MOS的柵極驅動器輸出電壓最大為UB_Filter電壓，導致高邊MOS的Vgs（VG-VS）電壓為0V，不能達到NOMS的開啟閾值VGS（th），NMOS不能正常開啟。電荷泵的作用是通過自身內部升壓電路將VS管腳輸入的UB_Filter電壓升高后作用于高邊MOS的柵極驅動器，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測電壓輸入管腳VDH

智芯ASIC芯片對外部H橋驅動具有OFF（驅動停止）狀態下的開路診斷功能和ON（驅動進行）狀態下的MOS過流診斷功能。ON狀態時檢測外部H橋驅動電路過流的檢測機制為：高邊MOS的輸出端（高邊MOS的源極）短地時，由于此時UB_Filter功率電和板端GND之間的阻抗僅為MOS的導通電阻，所以理論通過高邊MOSFET的電流為無窮大，高邊MOS的D極和S極之間的電壓會比正常驅動時升高，芯片通過檢測高邊MOS在ON狀態時的VDS判斷相應MOSFET有過流情況發生。而高邊MOS的D極電壓（即UB_Filter）由VDH管腳輸入芯片，由內部電路輸入監測電路所用運放的正向輸入端，運放的反向輸入端連接高邊MOS的S極，當高邊MOS的VDS超限即VVDH-VSHx的電壓超過設置閾值時運放輸出的信號電壓值超過檢測閾值，芯片判定為高邊MOS發生過流情況。

1.3 智芯ASIC芯片的ON狀態過流診斷功能

在介紹芯片的VDH管腳時已經對ON狀態下高邊MOS的過流診斷機制進行了介紹，現介紹低邊MOS的過流診斷機制：低邊MOS的D極連接ASIC芯片的SHx，而S極連接芯片的SLx管腳：芯片內部SHx管腳連接低邊MOS過流監測運放的正向輸入端；SLx連接低邊MOS過流監測運放的反向輸入端，同時連接板端GND；當低邊MOS的輸出接插件（對應低邊MOS的D極）短路到電路板供電電源時，由于流經低邊MOS的電流比正常驅動時增大，所以低邊MOS的VDS電壓增大；此時低邊MOS過流監測運放的輸出電壓超過過流檢測閾值，芯片判斷為低邊MOS過流。

2 智芯ASIC芯片外圍電路設計參考因素

2.1 智芯ASIC芯片柵極驅動器的Blanking time和Filter time

根據本文之前的介紹，ASIC芯片具有外部H橋驅動電路ON狀態下MOS的過流診斷功能，從而避免發生短路情況MOS過大電流溫度升高燒毀MOS。由于MOS管的開啟速度相對其他器件較慢，所以MOS管的開啟時間不能忽略。常用評估MOS管開啟時間的計算公式如下：

智芯ASIC芯片提供了可以通過軟件設置的Blanking time和Filter time。Blanking time可以理解為從芯片開始驅動外部MOS時刻開始，到Blanking time結束時間段內芯片不做任何診斷功能，這段時間內可以認為是“空白”時間；Filter time可以理解為當MOS兩端的Vds電壓超限后芯片并不是馬上判定為過流情況發生，而是要依據檢測電壓持續超過限值達到Filter time后才判定為過流。在配置Blanking time值時，Blanking time要接近并略大于MOS的開啟時間（實測值）。

2.2 車窗控制開關所用MOSFET的導通電阻[RDS（ON）]

MOS在導通時其內阻不可忽略，該阻值一般為mΩ級。H橋電路在工作時流經MOS的電流為幾安培或者幾十安培，同時MOS的熱阻（RθJA）比較高，所以MOS持續打開時升溫需要重視[6]，避免溫升超過MOS的結溫范圍TJ導致MOS燒毀。一般評估MOS的溫升情況是否符合要求的計算公式如下：

式中：Imax——需求中流經MOS的最大電流值；

T0——需求中要求系統工作最高環境溫度；

RDS（ON） ——環境溫度為T0時MOS的導通電阻；

RθJA——MOS的熱阻；

TJmax——MOS結溫的最大值；

以上是智芯ASIC芯片車窗驅動控制相關電路設計時的重點考慮因素。

3 車窗驅動控制電路設計

實際車窗驅動控制電路的系統框圖如圖2所示。具體由車窗驅動電路、工作電流回采電路組成。其中車窗驅動電路采用H橋驅動電路，用N溝道MOSFET做開關管，具體實現的功能為：（1）控制車窗電機的正向/反向轉動；（2）在H橋驅動電路做PWM型信號輸出時實現車窗電機的續流動作避免電機損傷。工作電流回采電路通過采樣電阻將車窗驅動電流轉換為電壓信號，為方便后續MCU采集運算，通過后續運算放大器放大后輸入MCU的AD采集端口。

H橋電路實際工作時電流流動方向如圖3所示，在做續流動作時電機電流流通路徑如示意圖如圖4所示。

3.1 H橋電路控制電機的正向/反向轉動

紅旗ASIC芯片國產化項目所用H橋驅動控制電路外部開關管采用的是NMOS。結合圖3中流過電機的電流方向介紹H橋電路控制電機轉動方向的原理。以電機順時針轉動為例：此時，智芯ASIC芯片的外部H橋柵極驅動器控制GH1和GL2對應的控制管腳輸出電壓拉高，對應的NMOS管Q1和Q4打開；同時智芯ASIC芯片的外部H橋柵極驅動器控制GH2和GL1對應的控制管腳輸出電壓拉低，對應的NMOS管Q2和Q3關閉。這樣電路板上的功率電通過MOS管Q1、車窗驅動電機M和MOS管Q4回到板端GND，從而形成供電回路；電流順時針流過電機從而使電機轉動。當需要車窗控制電路輸出PWM型控制信號時，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的輸出驅動信號為PWM；同時智芯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；這樣就能使H橋的輸出驅動信號為PWM形式。當需要控制車窗電機逆時針轉動時，驅動原理與順時針時相同，只需改為：將MOS管Q2和Q3打開，Q1和Q4關閉即可。

3.2 H橋電路輸出PWM驅動信號時的續流動作

在實車控制車窗玻璃升降過程中，有要求車窗控制電路做PWM信號輸出的要求。在做PWM信號輸出時，會有高邊MOS關閉的情況（同樣以車窗電機順時針轉動為例）：此時，如果對應的低邊MOS關閉，由于電機是感性負載，即具有流過“電感”的電流不能突變的特性，電機內部會有一個大電流不能釋放，而是以電機發熱的形式消耗，導致有電機燒毀的風險。所以需要有高邊MOS關閉時的續流動作：即當高邊MOS管Q1關閉時，低邊MOS管Q4保持打開狀態，同時打開MOS管Q3。這樣做的目的是：電機中的電流可以通過MOS管Q4回到板端GND，板端GND連接在一起，電流通過走線回到MOS管Q3連接的GND，經過MOS管Q3后回到電機另一端，從而形成電機電流泄放路徑，電機由于感性特性儲存的能量以電流的形式通過電機自己緩慢消耗，避免電機損毀。

雖然MOS管在生產過程中由于工藝特性會有體二極管，在NMOS中該體二極管的導通方向是從MOS的S極（源極）至D極（漏極）；雖然也可以允許電流通過，但是這樣做續流的風險是該體二極管的過流能力小，如果電機的工作電流大，用體二極管續流時有燒毀體二極管的風險，所以采用直接打開MOS的方式做續流。

3.3 車窗電流回采電路

車窗電機驅動過程中，需要采集車窗電機的電流信號用于車窗玻璃位置和堵轉電流檢測。所以在電路設計時通過采樣電阻將電流信號轉換為電壓信號通過MCU進行檢測。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測電機正常工作時的電流值，也可以兼顧監測續流時的電流值。

在電流信號轉換為電壓信號后，為提高對流經車窗電流的檢測精度，通過運放算放大芯片將初始電壓信號做適當放大。由于運放芯片存在“Offset Voltage”（失調電壓），該失調電壓值可能會導致在沒有電流流經采樣電阻時MCU采集到的電壓為負值，超出MCU的AD檢測范圍；所以為避免Offset Voltage的影響，在運放芯片的信號輸入端設置有上拉電壓，從而抵消失調電壓的影響。

4 驗證結果

目前，北京經緯恒科技有限公司基于智芯ASIC芯片研發的用于一汽紅旗某車型的門控制器電路已經完成理論設計驗證和硬件電路測試。相關器件選型和ASIC芯相關寄存器參數設置滿足紅旗汽車目標車型應用需要。

5 結語

本文所述項目是智芯ASIC芯片首次應用于乘用車車窗控制電路，經過測試驗證，該型國產化芯片滿足車規級芯片的應用要求。智芯ASIC芯片的設計應用，進一步增加了芯片技術國產化的信心，為芯片全國產化的目標注入了積極動力。

參考文獻：

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