關(guān)于SPI繼電器驅(qū)動控制器的現(xiàn)狀和發(fā)展應(yīng)用分析

汽車工業(yè)對可靠性要求很高。同時，從業(yè)者也在不斷致力于有效控制成本和提高效率。為了滿足這些要求，汽車制造商對架構(gòu)進行了標準化，并在不同的汽車平臺上整合了需求。另一方面，車輛中的電子元器件迅速增加，功能和選項的數(shù)量非常廣泛，因此還需要靈活性和可擴展性。

我們以其中最具代表性的車身控制模塊（BCM）為例，大量繼電器、指示器和執(zhí)行器分布在車輛上，每一個繼電器或者負載，就需要一個通道來進行控制，并且還要有全面的診斷功能。因此，需要一個產(chǎn)品可以高度集成這些功能和通道，SPI控制驅(qū)動器便是由此而誕生的。

以 “英飛凌SPIDER+系列TLE75602”為例，通過其內(nèi)部框圖（圖1）直觀地了解SPI控制驅(qū)動器的內(nèi)部架構(gòu)，它是將多通道的驅(qū)動器集成于一起，并加以SPI控制，進一步提升集成度和診斷功能。

圖1 內(nèi)部框圖

1. SPI控制驅(qū)動器的特點

SPI控制驅(qū)動器作為一個多通道設(shè)備，相比于傳統(tǒng)的分立通道，可以減少PCB空間。與此同時，它還具有很多重要的特點，我們將著重介紹其SPI通訊，高低邊靈活可配，以及對于不同負載的兼容性特點。

1.1 SPI通訊

SPI是串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫。SPI是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，其節(jié)約芯片的管腳，同時為PCB的布局上節(jié)省空間。正是出于這種簡單易用的特性，如今越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議。

SPI同步的多從通訊協(xié)議使微控制器在I/O方面的資源會進一步地減少。

SPI總線可以分為并行控制或者菊花鏈控制。如圖2所示：

圖2 SPI菊花鏈及并行總線結(jié)構(gòu)

對于并行SPI（也稱為級聯(lián)SPI），除了SCLK、SI等之外，總線中的每個從機都需要微控制器（芯片選擇、CSN）的一個輸出，以便將消息尋址到特定的從機。在這種配置下，微控制器和SPI從機之間的通信使用標準的16位字消息。

使用菊花鏈配置，無論鏈中的“從機”數(shù)量如何，微控制器所需的管腳數(shù)量都會減少到至少4個（SO，SI、CLK和CSN）。菊花鏈拓撲的缺點是，SPI消息長度與鏈中設(shè)備的數(shù)量“n”成比例（n*16位）。例如，如果在SPI菊花鏈配置中控制4個spider+設(shè)備，則消息長度將為64位。而且我們還要評估擴展位長消息所帶來的額外通信延遲的影響。

1.2 靈活配置的驅(qū)動電路拓撲

驅(qū)動負載的電路拓撲主要有高邊驅(qū)動、低邊驅(qū)動、半橋驅(qū)動和全橋驅(qū)動四種，如圖3所示:

圖3 負載的四種驅(qū)動拓撲

傳統(tǒng)的低邊開關(guān)將所集成的MOS管的漏極引出，用于連接負載，從而將接地（GND）連接到負載，負載始終連接到另一端的更高電位，即電池正極。當?shù)瓦呴_關(guān)啟動時，電路閉合，電流流過負載。低邊開關(guān)是最容易實現(xiàn)和最便宜的拓撲結(jié)構(gòu)，但在系統(tǒng)層面上有兩個主要缺點，即每負載需要兩根電線，一根用于開關(guān)，一根用于給負載供電；第二個缺點是，如果車輛中最常見的故障模式是對地短路，則負載會被意外激活。

傳統(tǒng)的高邊開關(guān)將所集成的MOS管的源極引出，用于連接負載，將電源或電池（VS）連接到負載，負載始終連接到另一端的較低電位，即接地（GND）。系統(tǒng)級的優(yōu)點是減少接線，因為開關(guān)只需要一根導(dǎo)線，負載的另一端直接連接到底盤上的接地（GND）；此外，如果輸出對地短路，負載不會被意外激活。高邊開關(guān)需要一個電荷泵來提供高于電池（vs）的柵極電壓，以確保NMOS的柵極有足夠的電壓來激活開關(guān)。

SPI控制驅(qū)動器將內(nèi)部集成MOSFET 的源極和漏極分別引出，大大提高了通道的靈活性，不僅可以從高側(cè)或低側(cè)驅(qū)動負載，還可以實現(xiàn)圖3所示的半橋，全橋等拓撲；與此同時，可配置通道還有一個系統(tǒng)優(yōu)勢：同一設(shè)備內(nèi)可以支持不同的電池或保險絲供電。

1.3 不同負載的兼容性

負載主要分為三類，分別是阻性負載，容性負載和感性負載。

電阻負載僅受電流能力和功耗的限制；SPI控制驅(qū)動器最典型的電阻負載是傳感器、參考電壓和指示燈。

典型的感性負載是繼電器線圈；除了功率級的功耗和電流能力外，這種負載的一個關(guān)鍵考慮因素是負載關(guān)閉時的耗散感應(yīng)能量。SPI控制驅(qū)動器集成了一個有源箝位電路，它能夠重復(fù)吸收大多數(shù)汽車繼電器的感應(yīng)能量，而無需額外的外部保護電路（即續(xù)流二極管）。

電容性負載簡單地定義為初始峰值電流或浪涌大于穩(wěn)態(tài)電流的任何電子負載。在這種情況下有些半導(dǎo)體開關(guān)通常會因過電流保護而閉鎖。以英飛凌SPI控制驅(qū)動器的SPIDER+系列為例，它還可以通過實施自動重試策略驅(qū)動小燈泡和其他電容負載。

綜上所述，我們可以通過傳統(tǒng)分離器件與SPI控制驅(qū)動器方案對比（見圖4）直觀地看到傳統(tǒng)分立器件的方案和SPI控制驅(qū)動器 方案的區(qū)別，以及SPI控制驅(qū)動器在系統(tǒng)層面的優(yōu)勢。

圖4 傳統(tǒng)分離器件方案對比SPI控制驅(qū)動器方案

2. SPI控制驅(qū)動器的跛行回家模式

作為一個以SPI通訊為主要控制方式的驅(qū)動器，如果微控制器和驅(qū)動器之間的SPI通信損壞，意味著發(fā)送的消息和預(yù)期的響應(yīng)數(shù)據(jù)不匹配，那么必須要有一種故障安全機制，即使在電子模塊發(fā)生故障的情況下，包括軟件執(zhí)行錯誤、SPI消息損壞或數(shù)字電源電壓不正確等情況下，依舊可以確保車輛中的某些安全臨界負載保持功能。這種故障安全機制就叫做跛行回家模式。

為了更清晰地解釋跛行回家模式的實現(xiàn)方法，我們以英飛凌的SPI控制驅(qū)動器TLE75602和系統(tǒng)供電芯片TLE9263QX為例，搭建最小系統(tǒng)來進行解釋。

圖5 跛行回家模式示例

示例中由系統(tǒng)供電芯片來監(jiān)控微控制器、SPI通信和+5V/VDD電源的狀態(tài)，如圖5 所示：繼電器A和繼電器B被分配給out2和out3，因為在跛行回家模式期間，這些通道可以由IN0和IN1直接控制。微控制器IO 與外部安全硬件一起用作冗余路徑。正常模式時，其輸出由微控制器進行控制；當供電芯片檢測到問題時（MCU運行故障，導(dǎo)致與系統(tǒng)供電芯片的看門狗交互失?。?，它將觸發(fā)“故障輸出”，拉低與其連接的TLE75602 IDLE 管腳，而微控制器失去功能， OUT2, 3的繼電器A, B 直接由外部的安全硬件進行控制，進入安全的故障處理狀態(tài)。

3. SPI繼電器驅(qū)動控制器的目標應(yīng)用

SPI繼電器驅(qū)動控制器最常見的汽車應(yīng)用是車身控制模塊（BCM）領(lǐng)域。但是，其幾乎可用于任何汽車電子控制單元或電子控制單元，例如智能PDB（配電盒）、暖風、通風與空調(diào)活門控制、智能后視鏡控制、E-shift等。

希望以上介紹能夠?qū)Υ蠹页醪搅私釹PI繼電器驅(qū)動控制器有所幫助。我們還會將其重要的特點，如功能安全相關(guān)特性等，在后續(xù)的文章和視頻中進一步介紹。