车灯控制硬件设计说明

1．硬件设计总体思路

电路总体框图如下：

2.硬件关键元器件选型依据

MCU-PIC18F2480

其丰富的片内资源为：16K字节片内Flash程序存储器，768字节片内SRAM，256字节EEPROM，8通道的10位AD，2个比较器，2个PWM模块，支持SPI和Master I2C,33个IO脚，片内集成UART,CAN控制器，1个8位定时器和3个16位定时器。SPI可以实现对驱动芯片的控制和状态回读，UART可用于实现LIN接口。

功率驱动芯片-MC33888、MC33984、MC33289

MC33984、MC33289和MC33888均提供了SPI的控制和诊断方式，内部提供了相应的寄存器用于SPI控制和诊断，且均提供了负载开路检测，过流过温过压保护。

LIN物理层收发芯片-TJA1020

波特率高达20Kbps,高抗电磁干扰性ems，极低的电磁发射emi,提供睡眠模式满足汽车对低功耗的要求。

3．硬件主要模块划分及相互联系

硬件电路包括电源管理电路,LIN通讯电路,功率驱动电路和MCU主电路四个主要模块,电源管理电路提供工作电源5v，提供瞬态抑制，平稳电压波形；LIN通讯电路实现LIN通讯，功率驱动电路实现车灯负载的驱动和故障监测，MCU主电路提供主控制电路。

4．硬件基本原理

a)电源管理电路：

电源管理部分针对12V车系，包括瞬态抑制和电源供应两个部分，给模块中各个电路提供稳定且充裕的电源供应，需要考虑电压和电流两种参数。本模块需要三种不同的电压，逻辑电压5V，通常情况下消耗电流在50mA左右；LIN收发器电压5-27V，典型值12V，通常情况下消耗电流为3.5mA；车灯驱动电压6V-27V，典型值12V，消耗电流比较大，取决于点亮的车灯负载。

针对汽车电子测试标准（B217110）中抗非常用电压的耐受性实验的要求，对于12V的网络，要求可以承受1分钟内最大电压为24V，1分钟内的反向电压–13.5V。还有针对各种瞬态脉冲的测试要求，主要针对负载突降的情况。负载突降是指发电机正在给电池充电而电池电缆断接时出现的情况，这时发电机可能产生高达80V的瞬态电压尖峰，选用瞬态抑制二极管SMBJ26CA抑制瞬态脉冲，不仅可以抑制负载突降瞬变，而且也可以满足在1分钟内最大电压为24V的要求。

瞬态（瞬变）电压抑制二级管简称TVS器件，在规定的反向应用条件下，当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗能立即降至很低的导通值，允许大电流通过，并将电压箝制到预定水平，从而有效地保护电子线路中的精密元器件免受损坏。TVS能承受的瞬时脉冲功率可达上千瓦，其箝位响应时间仅为1ps。TVS允许的正向浪涌电流在TA＝250C，T＝10ms条件下，可达50～200A 。

所选瞬态抑制二极管SMBJ26CA可以将瞬态电压箝位在24V左右，满足汽车电子测试要求。

图2：瞬态抑制二极管特性图

对于电压反向保护，因为所选功率驱动芯片MC33888可以承受达-16V的反向电压，对车灯驱动电压，可以直接采用经过瞬态抑制之后的电压供电，LIN收发器电压可以通过串联一个二极管实现电池电压的反向保护。

对于逻辑电路5V，选择国家半导体公司的低压降(LDO)稳压器LM9076BMA，LDO是汽车电子系统的重要功率器件，它具有应用简单、外部组件少、低噪音、低成本以及长期的可靠性和稳定性等优点。美国国家半导体开创了集成LDO稳压器芯片，在输出中采用了PNP双极性功率级，而非传统的双极性NPN输出功率级。这个改变的优点是当在“冷车发动”(Cold Crank Condit-ion)时，压降电压会大幅降至1V以下的情况下，LDO稳压器仍能为5V电路提供效力。LM9076BMA超低静态电流，100uA负载仅为25uA，输出电压5V，在全温度和负载时精度为+/-2%，150mA的压降仅为200mV，有各种保护特性如热关断，输入瞬变保护和宽的工作温度,输入工作电压高达40V，可承受瞬态电压70V/-50V，SO8小封装，降低了电路板尺寸，适合苛刻的汽车电子应用。

b) LIN通讯电路

LIN通讯电路用于实现本车灯节点与车灯LIN网主节点即组合开关节点之间的通讯，采用LIN物理层收发器TJA1020和CPU片上外设UART完成LIN接口电路的设计。TJA1020引脚如图所示：

TJA1020有三种常态模式：普通斜率模式，低斜率模式，睡眠模式。准备模式是中间状态，TJA1020上电后首先进入睡眠模式，被唤醒后进入准备模式。状态转换如图所示：

通过状态图来编程设计状态的转换，

进入睡眠模式：

1.上电自动进入睡眠模式

2.由普通斜率或低斜率模式进入睡眠模式

3.由准备模式不能直接进入休眠模式，需经由普通斜率或低斜率模式进入睡眠模式

进入普通斜率/低斜率模式：

1.由准备模式进入普通斜率/低斜率模式

2.由睡眠模式直接进入普通斜率/低斜率模式

3.普通斜率模式和低斜率模式不能直接转换

进入准备模式：

1.只能由睡眠模式经唤醒进入准备模式

TJA1020的唤醒有三种方式：

1.LIN远程唤醒

2.NWAKE本地唤醒

3.NSLP直接激活

本地唤醒是NWAKE脚，在下降沿之后维持一段时间的低电平可以引起本地唤醒；远程唤醒是LIN脚，通过迫使总线进入250us到5ms的显性位发出的。

唤醒后RXD低有效，可以通过连接到CPU的外部INT0脚中断唤醒CPU。然后可以通过TXD脚判断唤醒源。TXD为低则为本地唤醒，为高则为远程唤醒。这些都是在准备模式中判断的，在准备模式下TJA1020的RXD和TXD用作IO脚，让MCU判断唤醒标志和唤醒源。唤醒后CPU将NSLP置高，置高后RXD和TXD都会立即复位，即回复到高状态。TJA1020的RXD和TXD在普通斜率和低斜率模式下设置为UART功能。

其信号在各个模式下的电平状态如下图所示：

图4：TJA1020管脚电平状态

c)功率驱动电路

功率驱动电路实现对普通灯泡形式的车灯负载的控制和监测。选择飞思卡尔的高端电源开关实现，提供了更高的工作频率，同时提供了控制，保护和诊断功能。高端开关芯片选择如下图所示。其中的电流参数均为最大持续电流。

图5：车灯功率驱动芯片的选择

在飞思卡尔和英飞凌的功率驱动芯片中，提供了高端开关芯片和低端开关芯片两种器件。其中高端开关芯片中的高端通道用于驱动普通灯泡，低端开关芯片中的低端通道用于驱动LED灯。普通灯泡和LED灯是两种不同的负载，普通灯泡一端接地，一端接高端开关通道，LED灯一端接汽车电池，一端接低端开关通道。
MC33888内部带有4路高端通道和8路低端通道。下图表示了高端开关通道驱动普通灯泡和低端开关通道驱动LED灯的典型应用。

图6：高端开关通道和低端开关通道典型应用

MC33984和MC33888均提供了SPI的控制和诊断方式，内部提供了相应的寄存器用于SPI控制和诊断，需要设置MCU的SPI的相位和时钟极性以配合MC33984和MC33888 的SPI时序的要求。MC33289以IO方式进行控制和状态回馈。器件内部均内建了处理与白炽灯有关的浪涌电流的功能。其中MC33888内的5A通道可以承受23A的峰值电流，10A通道可以承受40A的峰值电流。

高端开关功率器件均提供了负载开路检测，过流过温过压保护。

过压条件下高端通道自动关闭，当恢复正常自动打开。同时提供欠电压自动关断保护，当驱动电压低于6V时自动关闭输出，如果在此期间驱动电压不低于5V，当驱动电压恢复到6V以上时，输出状态恢复到自动关闭输出之前的状态，如果电池电压低于5V，保存输出状态的电路也会关闭，这样当电池电压恢复到6V以上时输出恢复到默认的初始化状态。

不仅仅提供了相应的保护措施，还提供了错误检测的功能，通过一个状态位IO口实时地表示负载开路、过电压、过温和过流这四种错误状态（过流仅仅针对低端通道）的发生，可以通过读取该状态位判断是否有错误发生，然后MC33984和MC33888可以通过SPI判断出现错误状态的通道，MC33289针对每一路都提供了一位IO反应其通道的状态。

在飞思卡尔和英飞凌的车灯控制方案中都对驱动功率留出了1.5-3倍的余量，余量设计用于改善一个系统的长期稳定性。车灯功率余量设计主要考虑的参数是最大持续电流和成本。按照最大持续电流运行时，无法保证长时间连续运行的可靠性和芯片的使用寿命，同时必须考虑散热的问题。需要在功率余量和成本之间权衡。图1中选择的功率驱动芯片就是反复比较后选择的结果。

前车灯功率驱动芯片的成本12美金，后车灯功率驱动芯片的成本7.2美金（官方网站价格）。

d)MCU主电路

MCU作为本节点的主控制器，实现LIN协议控制器，通过LIN总线接收主节点（这里是组合开关节点）发来的数据包，解析指令，对功率驱动器件进行控制，并将检测到的错误状态信息通过LIN总线发向主节点提供诊断信息。

MCU选择PIC18F2480，其片内资源为：16K字节片内Flash程序存储器，768字节片内SRAM，256字节EEPROM，8通道的10位AD，2个比较器，2个PWM模块，支持SPI和Master I2C,33个IO脚，片内集成UART,CAN控制器，1个8位定时器和3个16位定时器。SPI可以实现对驱动芯片的控制和状态回读，UART可用于实现LIN接口。

PIC单片机外围电路包括时钟电路、复位电路和仿真电路。时钟电路选择外接10M晶振，仿真电路用于支持PIC的在线仿真和编程下载。