利用英飞凌座椅控制解决方案打造科技范十足的智能座椅
【导读】现代汽车在座椅上采用了一系列高科技技术，如座椅的多方向多角度调节控制、加热、乘客感知或安全带预紧器，按摩等。所有这些应用都需要小空间和高能效的电子机械系统。汽车座椅是座舱舒适性和安全性的重要组成部分。座椅与驾驶员、乘客直接接触，在用户体验上扮演着举足轻重的作用，也是区分汽车制造商的因素之一。
本文将深入描述以下几方面内容：
● 座椅的主要控制功能
● 电动座椅的结构
● 客户的系统级需求，以及英飞凌的芯片产品组合系列如何满足这些需求
● 英飞凌座椅控制解决方案及应用案例
座椅控制功能简介
汽车座椅控制包括多个不同功能：
● 座椅调节或座椅移动，例如可设定位置、高度、长度、角度、靠背角度，以及头枕位置和角度等
● 座椅舒适性，例如动态靠垫、腰靠、 腰托、按摩、加热、制冷或通风、颈部加热系统、方便快捷进出功能，如：就坐辅助等，以及个性化调节记忆功能等
● 座椅安全功能，如属于车辆安全系统的安全带预紧器
● 座椅乘员感知，座椅内置多个传感器，可为系统提供反馈信息，提高安全性和可靠性
本文将重点讲述座椅位置和座椅温度控制，将涉及到多电机应用，如电动座椅（其中包括记忆座椅），及常见于乘用车第二和第三排的电动折叠座椅等，也会涉及到通过独立ECU或与其他座椅调节控制模块集成在一起的加热、冷却和通风控制。
电动座椅结构
观察汽车座椅面套与骨架之间，以及发泡件内部可以发现，座椅中填满了不同的元器件，如接线束、ECU、电机、传感器、加热和制冷元器件、风扇、安全气囊、气袋等。
车厂极为关心如何节省空间，以及采用更薄的座椅以确保拥有更大座舱空间系统解决方案。
传统继电器方案不仅增加了电控单元的外壳高度，同时其“咔嗒”声也给安静的座舱环境带来噪音。因此，一些OEM厂商准备为自家座椅ECU配备静音开关功能。此外，继电器也无法支持座椅移动时的平缓启动和停止功能，这需要通过脉宽调制（PWM）来实现对电机电流源快速开启/关闭，以产生较低的平均电流，从而以低于全速的速度移动座椅来实现。
通过使用半导体解决方案，不仅提供了静音开关功能和平缓启停功能，同时也降低了占用座椅内部的空间高度。
此外，从电控单元层面来看，相比于继电器方案，半导体方案更加节省成本。
今天，电动座椅的调节模块在全球的装配率约为46%，且在以约2.5%的年均速度增长；但是，不同地区的电动座椅模块和半导体装配率存在较大差异。北美地区在座椅电动调节和气候控制上处于领先地位：大型OEM厂商在近75%的汽车中装配了座椅气候控制；而在该地区销售的汽车，有一半以上采用了电动座椅。
电动座椅模块已开使从继电器方案向半导体解决方案转变，有些OEM厂商已经使用半导体解决方案超过10年。
通风座椅是指，利用风扇，通过座椅表面的通风孔吹/吸环境空气。
主动冷却座椅则需要额外手段来降低空气温度，这通常涉及到“珀尔帖”元件，也称“热电器件”（TED）。当电流流动时，“珀尔帖”元件根据直流电流流动方向在两侧之间产生温差。
通风座椅由类似于直流电机的H桥结构驱动。但主动冷却座椅的驱动方式是非对称型的，因为TED需要一个方向的电流大于另一方向。
气候控制座椅使得汽车厂商能够减少碳排放和节省燃油。例如，座椅冷却可减少乘员的空调使用。
客户对电动座椅的系统级需求，以及电动座椅ECU设计要点
现在，我们来看看电动座椅ECU设计人员最关注的一些问题。
首先，设计的解决方案必须能够减小尺寸和降低成本。这是随着座椅模块功能日益增多，且占有率不断上升而面临的一个特殊挑战。
ECU通常位于空间非常宝贵的座椅下方，半导体解决方案可以实现更薄、更小的ECU，进而实现更薄的座椅。相比继电器，这些方案可以创造更大的座舱空间，并节省成本。
对于电动汽车，设计人员尤其需要注意减小关断待机电流和延长电池寿命。此时，即便是在熄火的情况下，也能使用座椅调节功能，因此ECU必须满足低静态电流和快速唤醒需求。
在汽车市场上，因为丧失舒适性必会招致用户的投诉，因此高可靠性和鲁棒性是设计人员始终所追求的。勿将驾驶者安置在不舒服的位置，譬如距方向盘太远或太近。而且，最重要的是，乘员不应受到任何形式的伤害，譬如座椅加热温度过高。
设计人员所面临的另一重要痛点是，在不影响功耗的情况下通过EMC试验。这对于利用PWM（脉宽调制）进行速度控制的电机控制应用（如座椅移动的平缓启/停）尤其如此。
使用半导体方案的另一个优势是，能以最小的设计工作量和成本实现多个配置等级。汽车配置等级不同，记忆座椅模块也各有差异，可能包含一些额外的功能，也可能不包含。为了支持软件的重复利用，设计人员需要具有可扩展的解决方案。
电动座椅解决方案推荐及应用案例
英飞凌的产品组合解决了所有这些挑战，助力实现了智能、安全和经济高效的半导体电动座椅解决方案。英飞凌电动座椅模块包括下列三个部分：
● 实现座椅位置调节的双向电机控制
● 气候控制功能，其中包括加热元件和通风风扇，有时还包括用于冷却和加热的热电器件
● ECU核心功能模块，其中包括微控制器、电源和通信元件
英飞凌拥有不同集成度和可扩展的完整芯片解决方案。
对于包括电动折叠功能的座椅位置控制，根据座椅的功能和规格不同，这些有刷直流电机电流等级可从5-20 A不等。
主副驾座椅的常见配置是，每个座椅配置四台电机来控制
● 靠背角度
● 座椅高度
● 座椅底座的倾斜度
● 整个座椅的前向和后向移动
对于电动折叠座椅，通常由两个较大电机来降低和升高座椅靠背。
英飞凌MOTIX?栅极驱动器与OptiMOS? MOSFET组合可解决这些多电机应用的设计挑战。
英飞凌集成式MOTIX? TLE92104/108栅极驱动器IC的使用可减少外部元件的使用，并节省电路板空间，从而缩小尺寸和降低成本。这些元器件集成了4个或8个半桥驱动器，并拥有出色的静态电流表现。
使用内部集成的电流源可实现宽范围的诊断功能从而帮助设计者减少众多外部器件的使用。此外，它集成了电流检测运算放大器，其输出既可供内部使用，也可提供给微控制器。如此，栅极驱动器可助力实现超越行业硬短路检测功能标准的高可靠性和鲁棒性性。
例如，两款IC还具有可配置的短路检测保护功能，通过直接关断处于短路状况的MOSFET，可以减少控制器的负荷，从而减少软件工作量以及检测和反应所需的时间。更短反应时间使得可以使用低功率MOSFET，节省器件成本和电路板空间。
在不影响功耗的情况下通过EMC试验是个重大挑战。对此，英飞凌提供获得专利的自适应MOSFET控制技术可提供多级、可编程的栅极驱动电流，从而允许通过软件优化EMC性能而不影响功耗。该多级摆率控制技术可通过SPI通讯实现EMC优化，可以独立调整死区时间及导通和关断延时从而实现摆率调节。
而且，外部MOSFET开关时间的板上测量和自适应允许：
● 平衡功耗与EMC性能
● 调整MOSFET的批件偏差
● 避免需要进行下线校准
最后，这些栅极驱动器的另一优势是，能以最小的设计工作量和解决方案成本实现多个配置等级。
MOTIX? TLE92104和TLE92108分别集成了4个和8个半桥驱动器，但拥有相同的封装、引脚分配，使得无需改变电路板，以最小的工作量即可实现可扩展的设计。
与座椅位置控制有关的另一产品是采用SSO8封装的全新集成半桥MOSFET。若想节省空间，只考虑封装尺寸并不够，还需考虑布局需求。
在电动座椅模块等电机驱动应用中，TLE92104和108栅极驱动器与外部MOSFET的组合可实现紧凑的设计。该方案优于继电器或智能高边和低边开关。虽然双MOSFET很常见，但它们不适合用于电机驱动半桥和H桥配置所需的电路板布局。
除英飞凌栅极驱动器所具有的优势，全新OptiMOS?6可在内部被配置为半桥，从而避免在电路板上布线，并降低杂散电感。因此，除了减少电路板上的走线，这些MOSFET还能通过避免由较长电路板走线中的杂散电感导致的电压尖峰，来省去外部EMC滤波器。
除了新的半桥配置MOSFET，英飞凌还提供许多其他封装选择，包括备受欢迎的微型S3O8单MOSFET以及标准配置SSO8双MOSFET。
在气候控制方面，先进的加热和制冷座椅含有热电器件。这些器件由H桥配置驱动，根据电流流动方向实现加热或冷却功能。结合了英飞凌MOSFET的MOTIX? TLE92108或TLE92104是理想的解决方案。
更简单的设计可以使用由智能高边开关驱动的电阻式加热元件和风扇。
座椅加热器一般由5A阻性负载组成，通常每个座椅包含两个负载：一个用于加热坐垫表层，一个用于加热座椅靠背。这些加热元件可被单独驱动，也可作为一个10A负载被同时驱动。温度可通过慢速PWM（频率范围：10Hz以下）来调节。
目前正在出现的一个趋势是，通过增加低边开关增强安全性，这是为了确保在高边电池发生短路时能够关闭加热元件。
通风风扇通常使用1.5-2A的单向有刷直流电机。它们也由智能高边开关（如英飞凌的PROFET?+2 12V系列器件）驱动。
英飞凌可扩展的、面向12V应用的PROFET?+2系列智能高边开关，包括同时能够驱动座椅加热器和通风风扇的器件。它们具有出色的静态电流表现及先进的诊断和保护功能。
PROFET?器件在驱动座椅加热元件和许多其它负荷方面具有很多成功案例。PROFET?+2 BTS7系列是PROFET?器件家族的最新成员，采用引脚兼容型封装， 导通电阻从1.2-200 mΩ不等。
以电动汽车为例：每一毫安电流对于延长续航里程都是宝贵的。随着越来越多功能被加入到ECU中，需要的智能开关也越来越多，这使得总工作电流更为关键。在这种情况下，PROFET?+2 12 V系列在睡眠模式和工作期间都拥有出色的能源效率以及更低的电流消耗。
除了负载驱动器，英飞凌的芯片产品组合还包括支持ECU核心功能的解决方案：微控制器、电源、通信、传感器、以及电池反接保护。
首先来看微控制器，TRAVEO? T2G系列32位基于ARM?内核的微控制器，在性能、封装、内存、外设、和安全方面都具有可扩展性。
TRAVEO? T2G系列从512千字节扩展到8兆字节闪存，并使用ARM? Cortex?-M4和M7内核。
然而，最适合典型座椅模块的是使用ARM? Cortex?-M4内核，拥有1兆和2兆字节闪存的器件。TRAVEO? T2G降低了关断待机电流，延长了电池寿命，且在有源模式下拥有超低功耗。而且，它还拥有从睡眠模式到休眠模式等的五种电源模式。
而且，虽然如今的座椅模块通常达到了ASIL中“QM”的要求，但汽车行业已有向更高ASIL等级迈进的趋势。对此，TRAVEO? T2G系列拥有能够达到ISO 26262 ASIL-B等级的功能安全概念。它还提供完整的硬件和软件功能安全解决方案，并拥有硬件安全手册、FMEDA和安全文档及软件产品支持。
接下来，在座椅控制器核心功能中，我们来看看电源和通信功能。
由于座椅模块设计人员正在寻求更小型的集成化解决方案，他们通常偏向于使用系统基础芯片（SBC）。SBC不仅集成了电源和通信功能，还集成了非板载传感器电源和唤醒输入等额外的系统支持功能。
对于座椅模块，Lite SBC和Mid-Range+ SBC都能满足典型的电源和通信需求。通过利用开关输入和CAN信息，在睡眠模式下，甚至在启用唤醒功能时，它们都具有出色的静态电流表现。
在电源方面，这些SBC与座椅应用中使用的典型微控制器非常匹配。Mid-Range+ SBC在该领域尤为成功。
对于3.3 V微控制器，如果需要，可提供支持3.3 V VCC1的型号。要想得知具体是哪些产品型号，只需查看产品名称，最后是“V33”的即为这些型号。
除了这些集成SBC，对于需要分立器件解决方案的客户，英飞凌的OPTIREG?系列还包含全系列的低压差稳压器，以及独立的CAN和LIN收发器。
接下来，我们来看看许多座椅模块设计中使用的Mid-Range+ SBC功能。
电动座椅模块通常通过CAN与BCM通信。但也可利用LIN：
● 与从模块通信（在这里，驾驶员座椅模块充当与乘员座椅模块通信的主模块），或者
● 与安装在座椅侧面的开关面板通信
为了支持不同的LIN，Mid-Range+系列拥有带0、1或2个LIN收发器的型号。除了可靠性、鲁棒性和易用性之外，Mid-Range SBC和Lite SBC还有一个重要功能是“limp home”（跛行模式）输出。该“limp home”（跛行模式）功能的典型应用是启用安全状态。当微控制器出故障时，它能确保车辆不出现预期之外的操作。
SBC集成有受保护的可配置开关，可用于LED、蜂鸣器和传感器电源等。它还包括唤醒输入。
高集成度的Mid-Range+ SBC降低了系统和BOM成本，减少了元件布局、开发工作量和电路板尺寸。
除了集成电源和通信，电机系统还可实现更多的集成功能，即结合Mid-Range+系统基础芯片与2个或4个半桥驱动器的关键特性。
半桥驱动器IC MOTIX? 104和108集成了栅极驱动器的许多重要功能，包括自适应MOSFET控制。自适应MOSFET控制技术可提供多级、可编程的栅极驱动电流，从而允许通过软件优化EMC性能而不影响功耗。
即便与同类最佳的SBC和MOTIX?多MOSFET驱动器IC相比，电机系统IC凭借其独一无二的更高集成度，仍然具有最低水平的静态电流。该电机系统IC系列还支持灵活设计，可扩展多个功能。
回到可靠性和鲁棒性，必须提到的是，MOTIX?栅极驱动器、Lite SBC和电机系统IC都含有一个外部电荷泵，使得它们更容易实现电池反接保护或安全开关。
对于电池反接保护和安全开关，我们建议选择英飞凌车规级MOSFET和采用SSO8封装的OptiMOS? 6 40 V系列。
不要忘记，在座椅应用中还会用到传感器。
追踪座椅位置非常重要。虽然许多设计人员在寻求无传感器控制方案，但如今的大多数设计都使用霍尔传感器来帮助追踪座椅位置。
但是，这些传感器并非安装在座椅控制ECU中，而是安装在座椅骨架内。因此，它们和座椅控制ECU可能不是来自同一家厂商，更可能是由座椅制造商自行指定和采购的。有时候，座椅制造商和座椅供应商都属于同一家公司，只是属于不同的事业部。但最常见的业务模式为，座椅及座椅控制ECU由OEM分开采购。
总结
最后，英飞凌解决方案在智能电动座椅应用的优势为：
● 尺寸减小，成本降低
● 关断待机电流减小，延长了电池寿命
● 高可靠性和鲁棒性
● 不影响功耗的情况下可以通过EMC测试
● 以最小的设计工作量支持实现多个配置等级
英飞凌拥有包括微控制器、栅极驱动器、MOSFET、智能开关、电源和通信器件在内的完整解决方案以及配套的全系列半导体产品组合系列，是设计该解决方案的理想合作伙伴。
作者：张献辉 蔡震华 来源：英飞凌
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