【導(dǎo)讀】現(xiàn)代汽車在座椅上采用了一系列高科技技術(shù)，如座椅的多方向多角度調(diào)節(jié)控制、加熱、乘客感知或安全帶預(yù)緊器，按摩等。所有這些應(yīng)用都需要小空間和高能效的電子機(jī)械系統(tǒng)。汽車座椅是座艙舒適性和安全性的重要組成部分。座椅與駕駛員、乘客直接接觸，在用戶體驗(yàn)上扮演著舉足輕重的作用，也是區(qū)分汽車制造商的因素之一。
本文將深入描述以下幾方面內(nèi)容：
● 座椅的主要控制功能
● 電動(dòng)座椅的結(jié)構(gòu)
● 客戶的系統(tǒng)級(jí)需求，以及英飛凌的芯片產(chǎn)品組合系列如何滿足這些需求
● 英飛凌座椅控制解決方案及應(yīng)用案例
座椅控制功能簡(jiǎn)介
汽車座椅控制包括多個(gè)不同功能：
● 座椅調(diào)節(jié)或座椅移動(dòng)，例如可設(shè)定位置、高度、長(zhǎng)度、角度、靠背角度，以及頭枕位置和角度等
● 座椅舒適性，例如動(dòng)態(tài)靠墊、腰靠、 腰托、按摩、加熱、制冷或通風(fēng)、頸部加熱系統(tǒng)、方便快捷進(jìn)出功能，如：就坐輔助等，以及個(gè)性化調(diào)節(jié)記憶功能等
● 座椅安全功能，如屬于車輛安全系統(tǒng)的安全帶預(yù)緊器
● 座椅乘員感知，座椅內(nèi)置多個(gè)傳感器，可為系統(tǒng)提供反饋信息，提高安全性和可靠性
本文將重點(diǎn)講述座椅位置和座椅溫度控制，將涉及到多電機(jī)應(yīng)用，如電動(dòng)座椅（其中包括記憶座椅），及常見(jiàn)于乘用車第二和第三排的電動(dòng)折疊座椅等，也會(huì)涉及到通過(guò)獨(dú)立ECU或與其他座椅調(diào)節(jié)控制模塊集成在一起的加熱、冷卻和通風(fēng)控制。
電動(dòng)座椅結(jié)構(gòu)
觀察汽車座椅面套與骨架之間，以及發(fā)泡件內(nèi)部可以發(fā)現(xiàn)，座椅中填滿了不同的元器件，如接線束、ECU、電機(jī)、傳感器、加熱和制冷元器件、風(fēng)扇、安全氣囊、氣袋等。
車廠極為關(guān)心如何節(jié)省空間，以及采用更薄的座椅以確保擁有更大座艙空間系統(tǒng)解決方案。
傳統(tǒng)繼電器方案不僅增加了電控單元的外殼高度，同時(shí)其“咔嗒”聲也給安靜的座艙環(huán)境帶來(lái)噪音。因此，一些OEM廠商準(zhǔn)備為自家座椅ECU配備靜音開(kāi)關(guān)功能。此外，繼電器也無(wú)法支持座椅移動(dòng)時(shí)的平緩啟動(dòng)和停止功能，這需要通過(guò)脈寬調(diào)制（PWM）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電流源快速開(kāi)啟/關(guān)閉，以產(chǎn)生較低的平均電流，從而以低于全速的速度移動(dòng)座椅來(lái)實(shí)現(xiàn)。
通過(guò)使用半導(dǎo)體解決方案，不僅提供了靜音開(kāi)關(guān)功能和平緩啟停功能，同時(shí)也降低了占用座椅內(nèi)部的空間高度。
此外，從電控單元層面來(lái)看，相比于繼電器方案，半導(dǎo)體方案更加節(jié)省成本。
今天，電動(dòng)座椅的調(diào)節(jié)模塊在全球的裝配率約為46%，且在以約2.5%的年均速度增長(zhǎng)；但是，不同地區(qū)的電動(dòng)座椅模塊和半導(dǎo)體裝配率存在較大差異。北美地區(qū)在座椅電動(dòng)調(diào)節(jié)和氣候控制上處于領(lǐng)先地位：大型OEM廠商在近75%的汽車中裝配了座椅氣候控制；而在該地區(qū)銷售的汽車，有一半以上采用了電動(dòng)座椅。
電動(dòng)座椅模塊已開(kāi)使從繼電器方案向半導(dǎo)體解決方案轉(zhuǎn)變，有些OEM廠商已經(jīng)使用半導(dǎo)體解決方案超過(guò)10年。
通風(fēng)座椅是指，利用風(fēng)扇，通過(guò)座椅表面的通風(fēng)孔吹/吸環(huán)境空氣。
主動(dòng)冷卻座椅則需要額外手段來(lái)降低空氣溫度，這通常涉及到“珀?duì)柼痹?，也稱“熱電器件”（TED）。當(dāng)電流流動(dòng)時(shí)，“珀?duì)柼痹鶕?jù)直流電流流動(dòng)方向在兩側(cè)之間產(chǎn)生溫差。
通風(fēng)座椅由類似于直流電機(jī)的H橋結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。但主動(dòng)冷卻座椅的驅(qū)動(dòng)方式是非對(duì)稱型的，因?yàn)門(mén)ED需要一個(gè)方向的電流大于另一方向。
氣候控制座椅使得汽車廠商能夠減少碳排放和節(jié)省燃油。例如，座椅冷卻可減少乘員的空調(diào)使用。
客戶對(duì)電動(dòng)座椅的系統(tǒng)級(jí)需求，以及電動(dòng)座椅ECU設(shè)計(jì)要點(diǎn)
現(xiàn)在，我們來(lái)看看電動(dòng)座椅ECU設(shè)計(jì)人員最關(guān)注的一些問(wèn)題。
首先，設(shè)計(jì)的解決方案必須能夠減小尺寸和降低成本。這是隨著座椅模塊功能日益增多，且占有率不斷上升而面臨的一個(gè)特殊挑戰(zhàn)。
ECU通常位于空間非常寶貴的座椅下方，半導(dǎo)體解決方案可以實(shí)現(xiàn)更薄、更小的ECU，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更薄的座椅。相比繼電器，這些方案可以創(chuàng)造更大的座艙空間，并節(jié)省成本。
對(duì)于電動(dòng)汽車，設(shè)計(jì)人員尤其需要注意減小關(guān)斷待機(jī)電流和延長(zhǎng)電池壽命。此時(shí)，即便是在熄火的情況下，也能使用座椅調(diào)節(jié)功能，因此ECU必須滿足低靜態(tài)電流和快速喚醒需求。
在汽車市場(chǎng)上，因?yàn)閱适孢m性必會(huì)招致用戶的投訴，因此高可靠性和魯棒性是設(shè)計(jì)人員始終所追求的。勿將駕駛者安置在不舒服的位置，譬如距方向盤(pán)太遠(yuǎn)或太近。而且，最重要的是，乘員不應(yīng)受到任何形式的傷害，譬如座椅加熱溫度過(guò)高。
設(shè)計(jì)人員所面臨的另一重要痛點(diǎn)是，在不影響功耗的情況下通過(guò)EMC試驗(yàn)。這對(duì)于利用PWM（脈寬調(diào)制）進(jìn)行速度控制的電機(jī)控制應(yīng)用（如座椅移動(dòng)的平緩啟/停）尤其如此。
使用半導(dǎo)體方案的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，能以最小的設(shè)計(jì)工作量和成本實(shí)現(xiàn)多個(gè)配置等級(jí)。汽車配置等級(jí)不同，記憶座椅模塊也各有差異，可能包含一些額外的功能，也可能不包含。為了支持軟件的重復(fù)利用，設(shè)計(jì)人員需要具有可擴(kuò)展的解決方案。
電動(dòng)座椅解決方案推薦及應(yīng)用案例
英飛凌的產(chǎn)品組合解決了所有這些挑戰(zhàn)，助力實(shí)現(xiàn)了智能、安全和經(jīng)濟(jì)高效的半導(dǎo)體電動(dòng)座椅解決方案。英飛凌電動(dòng)座椅模塊包括下列三個(gè)部分：
● 實(shí)現(xiàn)座椅位置調(diào)節(jié)的雙向電機(jī)控制
● 氣候控制功能，其中包括加熱元件和通風(fēng)風(fēng)扇，有時(shí)還包括用于冷卻和加熱的熱電器件
● ECU核心功能模塊，其中包括微控制器、電源和通信元件
英飛凌擁有不同集成度和可擴(kuò)展的完整芯片解決方案。
對(duì)于包括電動(dòng)折疊功能的座椅位置控制，根據(jù)座椅的功能和規(guī)格不同，這些有刷直流電機(jī)電流等級(jí)可從5-20 A不等。
主副駕座椅的常見(jiàn)配置是，每個(gè)座椅配置四臺(tái)電機(jī)來(lái)控制
● 靠背角度
● 座椅高度
● 座椅底座的傾斜度
● 整個(gè)座椅的前向和后向移動(dòng)
對(duì)于電動(dòng)折疊座椅，通常由兩個(gè)較大電機(jī)來(lái)降低和升高座椅靠背。
英飛凌MOTIX?柵極驅(qū)動(dòng)器與OptiMOS? MOSFET組合可解決這些多電機(jī)應(yīng)用的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
英飛凌集成式MOTIX? TLE92104/108柵極驅(qū)動(dòng)器IC的使用可減少外部元件的使用，并節(jié)省電路板空間，從而縮小尺寸和降低成本。這些元器件集成了4個(gè)或8個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器，并擁有出色的靜態(tài)電流表現(xiàn)。
使用內(nèi)部集成的電流源可實(shí)現(xiàn)寬范圍的診斷功能從而幫助設(shè)計(jì)者減少眾多外部器件的使用。此外，它集成了電流檢測(cè)運(yùn)算放大器，其輸出既可供內(nèi)部使用，也可提供給微控制器。如此，柵極驅(qū)動(dòng)器可助力實(shí)現(xiàn)超越行業(yè)硬短路檢測(cè)功能標(biāo)準(zhǔn)的高可靠性和魯棒性性。
例如，兩款I(lǐng)C還具有可配置的短路檢測(cè)保護(hù)功能，通過(guò)直接關(guān)斷處于短路狀況的MOSFET，可以減少控制器的負(fù)荷，從而減少軟件工作量以及檢測(cè)和反應(yīng)所需的時(shí)間。更短反應(yīng)時(shí)間使得可以使用低功率MOSFET，節(jié)省器件成本和電路板空間。
在不影響功耗的情況下通過(guò)EMC試驗(yàn)是個(gè)重大挑戰(zhàn)。對(duì)此，英飛凌提供獲得專利的自適應(yīng)MOSFET控制技術(shù)可提供多級(jí)、可編程的柵極驅(qū)動(dòng)電流，從而允許通過(guò)軟件優(yōu)化EMC性能而不影響功耗。該多級(jí)擺率控制技術(shù)可通過(guò)SPI通訊實(shí)現(xiàn)EMC優(yōu)化，可以獨(dú)立調(diào)整死區(qū)時(shí)間及導(dǎo)通和關(guān)斷延時(shí)從而實(shí)現(xiàn)擺率調(diào)節(jié)。
而且，外部MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)間的板上測(cè)量和自適應(yīng)允許：
● 平衡功耗與EMC性能
● 調(diào)整MOSFET的批件偏差
● 避免需要進(jìn)行下線校準(zhǔn)
最后，這些柵極驅(qū)動(dòng)器的另一優(yōu)勢(shì)是，能以最小的設(shè)計(jì)工作量和解決方案成本實(shí)現(xiàn)多個(gè)配置等級(jí)。
MOTIX? TLE92104和TLE92108分別集成了4個(gè)和8個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器，但擁有相同的封裝、引腳分配，使得無(wú)需改變電路板，以最小的工作量即可實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)。
與座椅位置控制有關(guān)的另一產(chǎn)品是采用SSO8封裝的全新集成半橋MOSFET。若想節(jié)省空間，只考慮封裝尺寸并不夠，還需考慮布局需求。
在電動(dòng)座椅模塊等電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，TLE92104和108柵極驅(qū)動(dòng)器與外部MOSFET的組合可實(shí)現(xiàn)緊湊的設(shè)計(jì)。該方案優(yōu)于繼電器或智能高邊和低邊開(kāi)關(guān)。雖然雙MOSFET很常見(jiàn)，但它們不適合用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)半橋和H橋配置所需的電路板布局。
除英飛凌柵極驅(qū)動(dòng)器所具有的優(yōu)勢(shì)，全新OptiMOS?6可在內(nèi)部被配置為半橋，從而避免在電路板上布線，并降低雜散電感。因此，除了減少電路板上的走線，這些MOSFET還能通過(guò)避免由較長(zhǎng)電路板走線中的雜散電感導(dǎo)致的電壓尖峰，來(lái)省去外部EMC濾波器。
除了新的半橋配置MOSFET，英飛凌還提供許多其他封裝選擇，包括備受歡迎的微型S3O8單MOSFET以及標(biāo)準(zhǔn)配置SSO8雙MOSFET。
在氣候控制方面，先進(jìn)的加熱和制冷座椅含有熱電器件。這些器件由H橋配置驅(qū)動(dòng)，根據(jù)電流流動(dòng)方向?qū)崿F(xiàn)加熱或冷卻功能。結(jié)合了英飛凌MOSFET的MOTIX? TLE92108或TLE92104是理想的解決方案。
更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)可以使用由智能高邊開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)的電阻式加熱元件和風(fēng)扇。
座椅加熱器一般由5A阻性負(fù)載組成，通常每個(gè)座椅包含兩個(gè)負(fù)載：一個(gè)用于加熱坐墊表層，一個(gè)用于加熱座椅靠背。這些加熱元件可被單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，也可作為一個(gè)10A負(fù)載被同時(shí)驅(qū)動(dòng)。溫度可通過(guò)慢速PWM（頻率范圍：10Hz以下）來(lái)調(diào)節(jié)。
目前正在出現(xiàn)的一個(gè)趨勢(shì)是，通過(guò)增加低邊開(kāi)關(guān)增強(qiáng)安全性，這是為了確保在高邊電池發(fā)生短路時(shí)能夠關(guān)閉加熱元件。
通風(fēng)風(fēng)扇通常使用1.5-2A的單向有刷直流電機(jī)。它們也由智能高邊開(kāi)關(guān)（如英飛凌的PROFET?+2 12V系列器件）驅(qū)動(dòng)。
英飛凌可擴(kuò)展的、面向12V應(yīng)用的PROFET?+2系列智能高邊開(kāi)關(guān)，包括同時(shí)能夠驅(qū)動(dòng)座椅加熱器和通風(fēng)風(fēng)扇的器件。它們具有出色的靜態(tài)電流表現(xiàn)及先進(jìn)的診斷和保護(hù)功能。
PROFET?器件在驅(qū)動(dòng)座椅加熱元件和許多其它負(fù)荷方面具有很多成功案例。PROFET?+2 BTS7系列是PROFET?器件家族的最新成員，采用引腳兼容型封裝， 導(dǎo)通電阻從1.2-200 mΩ不等。
以電動(dòng)汽車為例：每一毫安電流對(duì)于延長(zhǎng)續(xù)航里程都是寶貴的。隨著越來(lái)越多功能被加入到ECU中，需要的智能開(kāi)關(guān)也越來(lái)越多，這使得總工作電流更為關(guān)鍵。在這種情況下，PROFET?+2 12 V系列在睡眠模式和工作期間都擁有出色的能源效率以及更低的電流消耗。
除了負(fù)載驅(qū)動(dòng)器，英飛凌的芯片產(chǎn)品組合還包括支持ECU核心功能的解決方案：微控制器、電源、通信、傳感器、以及電池反接保護(hù)。
首先來(lái)看微控制器，TRAVEO? T2G系列32位基于ARM?內(nèi)核的微控制器，在性能、封裝、內(nèi)存、外設(shè)、和安全方面都具有可擴(kuò)展性。
TRAVEO? T2G系列從512千字節(jié)擴(kuò)展到8兆字節(jié)閃存，并使用ARM? Cortex?-M4和M7內(nèi)核。
然而，最適合典型座椅模塊的是使用ARM? Cortex?-M4內(nèi)核，擁有1兆和2兆字節(jié)閃存的器件。TRAVEO? T2G降低了關(guān)斷待機(jī)電流，延長(zhǎng)了電池壽命，且在有源模式下?lián)碛谐凸?。而且，它還擁有從睡眠模式到休眠模式等的五種電源模式。
而且，雖然如今的座椅模塊通常達(dá)到了ASIL中“QM”的要求，但汽車行業(yè)已有向更高ASIL等級(jí)邁進(jìn)的趨勢(shì)。對(duì)此，TRAVEO? T2G系列擁有能夠達(dá)到ISO 26262 ASIL-B等級(jí)的功能安全概念。它還提供完整的硬件和軟件功能安全解決方案，并擁有硬件安全手冊(cè)、FMEDA和安全文檔及軟件產(chǎn)品支持。
接下來(lái)，在座椅控制器核心功能中，我們來(lái)看看電源和通信功能。
由于座椅模塊設(shè)計(jì)人員正在尋求更小型的集成化解決方案，他們通常偏向于使用系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片（SBC）。SBC不僅集成了電源和通信功能，還集成了非板載傳感器電源和喚醒輸入等額外的系統(tǒng)支持功能。
對(duì)于座椅模塊，Lite SBC和Mid-Range+ SBC都能滿足典型的電源和通信需求。通過(guò)利用開(kāi)關(guān)輸入和CAN信息，在睡眠模式下，甚至在啟用喚醒功能時(shí)，它們都具有出色的靜態(tài)電流表現(xiàn)。
在電源方面，這些SBC與座椅應(yīng)用中使用的典型微控制器非常匹配。Mid-Range+ SBC在該領(lǐng)域尤為成功。
對(duì)于3.3 V微控制器，如果需要，可提供支持3.3 V VCC1的型號(hào)。要想得知具體是哪些產(chǎn)品型號(hào)，只需查看產(chǎn)品名稱，最后是“V33”的即為這些型號(hào)。
除了這些集成SBC，對(duì)于需要分立器件解決方案的客戶，英飛凌的OPTIREG?系列還包含全系列的低壓差穩(wěn)壓器，以及獨(dú)立的CAN和LIN收發(fā)器。
接下來(lái)，我們來(lái)看看許多座椅模塊設(shè)計(jì)中使用的Mid-Range+ SBC功能。
電動(dòng)座椅模塊通常通過(guò)CAN與BCM通信。但也可利用LIN：
● 與從模塊通信（在這里，駕駛員座椅模塊充當(dāng)與乘員座椅模塊通信的主模塊），或者
● 與安裝在座椅側(cè)面的開(kāi)關(guān)面板通信
為了支持不同的LIN，Mid-Range+系列擁有帶0、1或2個(gè)LIN收發(fā)器的型號(hào)。除了可靠性、魯棒性和易用性之外，Mid-Range SBC和Lite SBC還有一個(gè)重要功能是“l(fā)imp home”（跛行模式）輸出。該“l(fā)imp home”（跛行模式）功能的典型應(yīng)用是啟用安全狀態(tài)。當(dāng)微控制器出故障時(shí)，它能確保車輛不出現(xiàn)預(yù)期之外的操作。
SBC集成有受保護(hù)的可配置開(kāi)關(guān)，可用于LED、蜂鳴器和傳感器電源等。它還包括喚醒輸入。
高集成度的Mid-Range+ SBC降低了系統(tǒng)和BOM成本，減少了元件布局、開(kāi)發(fā)工作量和電路板尺寸。
除了集成電源和通信，電機(jī)系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)更多的集成功能，即結(jié)合Mid-Range+系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片與2個(gè)或4個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵特性。
半橋驅(qū)動(dòng)器IC MOTIX? 104和108集成了柵極驅(qū)動(dòng)器的許多重要功能，包括自適應(yīng)MOSFET控制。自適應(yīng)MOSFET控制技術(shù)可提供多級(jí)、可編程的柵極驅(qū)動(dòng)電流，從而允許通過(guò)軟件優(yōu)化EMC性能而不影響功耗。
即便與同類最佳的SBC和MOTIX?多MOSFET驅(qū)動(dòng)器IC相比，電機(jī)系統(tǒng)IC憑借其獨(dú)一無(wú)二的更高集成度，仍然具有最低水平的靜態(tài)電流。該電機(jī)系統(tǒng)IC系列還支持靈活設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展多個(gè)功能。
回到可靠性和魯棒性，必須提到的是，MOTIX?柵極驅(qū)動(dòng)器、Lite SBC和電機(jī)系統(tǒng)IC都含有一個(gè)外部電荷泵，使得它們更容易實(shí)現(xiàn)電池反接保護(hù)或安全開(kāi)關(guān)。
對(duì)于電池反接保護(hù)和安全開(kāi)關(guān)，我們建議選擇英飛凌車規(guī)級(jí)MOSFET和采用SSO8封裝的OptiMOS? 6 40 V系列。
不要忘記，在座椅應(yīng)用中還會(huì)用到傳感器。
追蹤座椅位置非常重要。雖然許多設(shè)計(jì)人員在尋求無(wú)傳感器控制方案，但如今的大多數(shù)設(shè)計(jì)都使用霍爾傳感器來(lái)幫助追蹤座椅位置。
但是，這些傳感器并非安裝在座椅控制ECU中，而是安裝在座椅骨架內(nèi)。因此，它們和座椅控制ECU可能不是來(lái)自同一家廠商，更可能是由座椅制造商自行指定和采購(gòu)的。有時(shí)候，座椅制造商和座椅供應(yīng)商都屬于同一家公司，只是屬于不同的事業(yè)部。但最常見(jiàn)的業(yè)務(wù)模式為，座椅及座椅控制ECU由OEM分開(kāi)采購(gòu)。
總結(jié)
最后，英飛凌解決方案在智能電動(dòng)座椅應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)為：
● 尺寸減小，成本降低
● 關(guān)斷待機(jī)電流減小，延長(zhǎng)了電池壽命
● 高可靠性和魯棒性
● 不影響功耗的情況下可以通過(guò)EMC測(cè)試
● 以最小的設(shè)計(jì)工作量支持實(shí)現(xiàn)多個(gè)配置等級(jí)
英飛凌擁有包括微控制器、柵極驅(qū)動(dòng)器、MOSFET、智能開(kāi)關(guān)、電源和通信器件在內(nèi)的完整解決方案以及配套的全系列半導(dǎo)體產(chǎn)品組合系列，是設(shè)計(jì)該解決方案的理想合作伙伴。
作者：張獻(xiàn)輝 蔡震華 來(lái)源：英飛凌
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