在汽車電子模塊設(shè)計(jì)中如何降低靜態(tài)電流，從哪幾方面進(jìn)行處理

隨著汽車電子控制器在汽車?yán)锏臄?shù)量越來(lái)越多，對(duì)于汽車電子控制器靜態(tài)電流的要求也在不斷增高。如何降低汽車電子控制器的靜態(tài)電流，也成為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)。本文希望就此主題做個(gè)有限范圍的討論，闡述如何從硬件設(shè)計(jì)角度來(lái)降低靜態(tài)電流。圖1給出了典型的汽車電子模塊示意圖，由于這個(gè)主題所涉及的范圍比較多，下面我們只討論以下三種情況下靜態(tài)電流的處理：

（1）有源低有效輸入（Active Low Input）；

（2）有源低有效輸出（Active Low Output）；

（3）對(duì)電源的處理。

圖1：典型的汽車電子模塊示意圖。

（1）有源低有效輸入

圖2為有源低有效輸入的電路圖。圖中V+ = 12.8V，S1為“開”的狀態(tài)，微處理器供電電壓為5.0V。

圖2：有源低有效輸入電路圖。

如果按照IQ = 12.8V/（R1 + R2 + R3） = 86mA來(lái)計(jì)算這個(gè)電路的漏電流，那就可能錯(cuò)了！正確的計(jì)算是：絕大多數(shù)微處理器的I/O口都會(huì)有一個(gè)用于輸入保護(hù)的鉗位二極管（Clamp Diode），例如圖3中的D2。鉗位二極管D2會(huì)連接到微處理器的供電電源，因此實(shí)際用來(lái)分析的電路應(yīng)該是如圖3所示。

圖3：帶有鉗位二極管的有源低有效輸入電路圖。

因此，IQ =［V + （-5.6V）］/（R1 + R2） = 148（mA）。

這個(gè)計(jì)算結(jié)果和未考慮鉗位二極管的計(jì)算結(jié)果有62mA的差別（148mA - 86mA = 62mA），對(duì)于有多個(gè)有源低有效輸入的控制器來(lái)說(shuō)（比如車身控制器BCM），還是不能忽視的。

為了更好地驗(yàn)證控制器中的靜態(tài)電流，還需要仔細(xì)驗(yàn)證如下的每一項(xiàng)：

- 如果可以的話，關(guān)掉上拉電阻，因?yàn)樗鼤?huì)提供電流到地的路徑；

- 哪個(gè)輸入引腳是高有效、低有效、不活動(dòng)狀態(tài)、開路狀態(tài)；

- 是否有任何外部負(fù)載或開關(guān)與輸入或輸出并聯(lián)，它們的狀態(tài)是什么。

（2）有源低有效輸出

對(duì)于有源低有效輸出電路，又該如何考慮連接負(fù)載后在模塊中的漏電流呢？

對(duì)于雙極性晶體管（BJT）集電極開路（OC）的應(yīng)用（圖4），要特別注意溫度變化對(duì)漏電流的影響，特別是ICEO對(duì)晶體管BJT的影響。ICEO是由少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)形成的，它與環(huán)境溫度關(guān)系很大，ICEO隨溫度上升會(huì)急劇增加。溫度每上升10℃，ICEO將增加一倍。用MOSFET作為低邊輸出或者高邊輸出則好很多（圖5），因?yàn)镸OSFET本身的源漏電流就很小，且MOSFET對(duì)溫度的變化不敏感。

圖4：雙極性晶體管BJT的集電極開路（OC）電路。

圖5：MOSFET作為低邊輸出。

在有源低有效輸出情況下，考慮優(yōu)化靜態(tài)電流的一些對(duì)策包括：

- 考慮用MOSFET或者達(dá)林頓管來(lái)替代雙極性晶體管；

- 哪些輸出為開、關(guān)、外部接地或供電。

為了更加精確地分析控制器的靜態(tài)電流，可以用表格把每個(gè)單元電路“貢獻(xiàn)”的靜態(tài)電流全部列出（表1）。這樣可以一目了然，對(duì)控制器的靜態(tài)電流的分布熟諳于心。

表1：每個(gè)單元電路“貢獻(xiàn)”的靜態(tài)電流列表。

從表1中可以看出，規(guī)格書（Spec）要求最大靜態(tài)電流是2.0mA，分析出來(lái)的結(jié)果是2.46mA，最差電路分析情況下是2.934mA?？偟撵o態(tài)電流超過(guò)了規(guī)格書的要求，接下來(lái)的設(shè)計(jì)任務(wù)就是如何進(jìn)一步減少每個(gè)單元電路的靜態(tài)電流來(lái)滿足規(guī)格書的要求。

（3）對(duì)電源的處理

用處理器的I/O控制在系統(tǒng)關(guān)電（點(diǎn)火開關(guān)“關(guān)”）時(shí)把不用的電源關(guān)掉是個(gè)不錯(cuò)的辦法。如圖6所示，VBATT1經(jīng)過(guò)一個(gè)受處理器I/O控制的開關(guān)變成VSWBAT——圖6中Q24的基極B用處理器的一個(gè)I/O來(lái)控制，置“高”時(shí)VSWBAT打開，置”低”時(shí)VSWBAT關(guān)閉。這樣可以在需要有VBATT1供電時(shí)再接通它。

圖6：用軟件控制在系統(tǒng)關(guān)電時(shí)把不用的電源關(guān)掉。

以下為對(duì)電源處理的一些設(shè)計(jì)建議：

- 考慮使用更低靜態(tài)電源功耗的IC；

- 對(duì)于開關(guān)電路，選擇NPN/PNP配置，以便所有設(shè)備都能在靜態(tài)狀態(tài)下關(guān)閉（不需要一個(gè)晶體管打開，那就用另一個(gè)晶體管來(lái)保持它關(guān)閉）；

- 識(shí)別電流流過(guò)的每個(gè)供電（或接地）路徑，僅包括電流通過(guò)模塊，而不是繞過(guò)模塊的電流；

上面初步討論了對(duì)于降低靜態(tài)電路的一些建議和經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于汽車電子的整體設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，這些還是不夠的，還需要在系統(tǒng)的層面來(lái)做更深入的研究，例如以下的一些建議。

更進(jìn)一步考慮用于減少系統(tǒng)靜態(tài)電流的一些建議：

- 盡可能降低開關(guān)時(shí)鐘速度（尤其是微處理器的振蕩器）；

- 使用具有可用中斷或喚醒輸入的微處理器，這些輸入可以配置為允許微處理器“休眠”；

- 降低必須間歇性喚醒然后重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)的電路的占空比；

- 對(duì)于必須在靜態(tài)電流期間保持某些功能的模塊，請(qǐng)考慮雙時(shí)鐘頻率或雙處理器架構(gòu)；

- 同樣，考慮使用允許主處理器在能夠響應(yīng)的情況下休眠的專用總線通信IC。

綜上所述，靜態(tài)電流的控制只有在設(shè)計(jì)的初期做好整體的架構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)、器件選型和優(yōu)化、設(shè)計(jì)優(yōu)化以及軟件控制策略結(jié)合等工作，才可以將靜態(tài)電流控制在規(guī)格書的范圍以內(nèi)。

作者簡(jiǎn)介：

高楊

近20年在汽車電子TOP10公司經(jīng)驗(yàn)，特別是在車載控制器領(lǐng)域（多媒體、車身、駕駛輔助及VCU）。曾任職博世汽車專家級(jí)工程師，超過(guò)10年在汽車零部件（博世和大陸汽車），5+年汽車半導(dǎo)體（德州儀器和英飛凌），歷任多種資深（系統(tǒng)、設(shè)計(jì)、產(chǎn)品）工程師職務(wù)。豐富的平臺(tái)開發(fā)（從0到1）及產(chǎn)品開發(fā)的工程經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累。 Ford SYNC第一代的核心硬件工程師，定義和開發(fā)了德州儀器（TI）第一款智能高邊驅(qū)動(dòng)器（TPS1H100-Q1），填補(bǔ)了公司在汽車電子市場(chǎng)的技術(shù)路線和市場(chǎng)空白。 整理和標(biāo)準(zhǔn)化了與設(shè)計(jì)開發(fā)的技術(shù)文件，可以直接用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)及融入公司的文件體系中，滿足體系審查要求和提高公司的設(shè)計(jì)流程和管理水平。硬件設(shè)計(jì)流程管理的模板（45+篇），硬件設(shè)計(jì)評(píng)審和檢查清單模板（50+篇）。 企業(yè)內(nèi)訓(xùn)師認(rèn)證（TTT） ，超過(guò)2500頁(yè)汽車電子設(shè)計(jì)培訓(xùn)內(nèi)容PPT，滿足從入門、中級(jí)及高級(jí)汽車電子設(shè)計(jì)的培訓(xùn)要求，目前在4家企業(yè)內(nèi)部實(shí)施過(guò)培訓(xùn)，收到了很好的反饋。 目前獲得13件汽車電子專利（截止2019年12月）。《EDN電子技術(shù)設(shè)計(jì)》汽車電子專欄作者

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