基于BTS7960B車門控制模塊的電動車窗的設(shè)計(jì)

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以前曾用機(jī)械方法控制的車門系統(tǒng)現(xiàn)在逐漸改成電子控制，越來越多的低端汽車也開始采用電子控制的車門控制系統(tǒng)，利用CAN或者LIN總線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)四個車門之間的通信。車窗防夾功能是車門控制系統(tǒng)的難點(diǎn)之一。門控系統(tǒng)具有多種故

障診斷能力，能夠及時識別出短路、斷路、過熱、過載等故障。

本文結(jié)合汽車車門控制模塊設(shè)計(jì)的項(xiàng)目實(shí)踐，重點(diǎn)介紹了電動車窗部分的硬件和軟件設(shè)計(jì)。對智能功率芯片BTS7960在正常運(yùn)行時的啟動特性及故障檢測特性進(jìn)行了研究與分析，并給出了試驗(yàn)結(jié)果。

車門控制模塊的整體設(shè)計(jì)

圖1是門控模塊的原理框圖，其中微控制器XC164CS用于控制所有功率器件的開關(guān)動作，同時對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行定時監(jiān)控，接收適合的故障反饋信號，并通過車載網(wǎng)絡(luò)（如CAN總線）實(shí)現(xiàn)與中央車身控制器及其他車門控制器的故障信息和按鍵

控制信息的交換，從而及時在用戶界面上顯示故障內(nèi)容并對車門進(jìn)行實(shí)時控制，確保了行車安全。

圖1門控模塊整體原理框圖

16位微控制器XC164CS基于加強(qiáng)C166SV2結(jié)構(gòu)，結(jié)合了RISC和CISC處理器的優(yōu)點(diǎn)，并且通過MAC單元的DSP功能實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的計(jì)算和控制能力。XC164CS把功能強(qiáng)勁的CPU內(nèi)核和一整套強(qiáng)大的外設(shè)單元集成于一塊芯片上，使得

連接變得十分有效和便利。

電動車窗采用兩個半橋智能功率驅(qū)動芯片BTS7960B組合成一個H橋驅(qū)動，中央門鎖、后視鏡和加熱器的驅(qū)動芯片分別采用TLE6208-3G、BTS7741G和BSP752R，車燈的驅(qū)動芯片采用BTS724。這些器件已提供了完善的故障檢測及保護(hù)功

能，因而避免了采用過多的分立元件，大大減小了模塊體積，并提高了模塊的EMC（電磁兼容）特性。

車門控制模塊的電路主要由以下幾部分組成：電源電路、電動車窗驅(qū)動電路、后視鏡驅(qū)動電路、加熱器驅(qū)動電路、中央門鎖驅(qū)動電路、車燈驅(qū)動電路、CAN總線接口電路及按鍵接口電路等。

電動車窗的硬件設(shè)計(jì)

1電動車窗驅(qū)動電路及啟動特性

本車窗控制系統(tǒng)通過智能功率芯片BTS7960驅(qū)動直流電機(jī)轉(zhuǎn)動，BTS7960的接口電路如圖2所示。圖中的引腳7960INH1、7960IN1、7960IS1、7960INH2、7960IN2和7960IS2分別連接到XC164CS的I/0口P9.4、P1L.4、P5.6、P9.5、

P1L.5和P5.7。

圖2BTS7960接口連線圖

BTS7960是應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動的大電流半橋高集成芯片，它帶有一個P溝道的高邊MOSFET、一個N溝道的低邊MOSFET和一個驅(qū)動IC。P溝道高邊開關(guān)省去了電荷泵的需求,因而減小了EMI。集成的驅(qū)動IC具有規(guī)律電平輸入、電流診斷、

斜率調(diào)理、死區(qū)時間產(chǎn)生和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護(hù)的功能。BTS7960通態(tài)電阻典型值為16mΩ，驅(qū)動電流可達(dá)43A。因此即使在北方寒冷的冬天，仍能保證車窗的安全啟動。

如圖3所示，兩片BTS7960構(gòu)成全橋驅(qū)動車窗上升或下降。T1和T4導(dǎo)通時，車窗上升；T2和T3導(dǎo)通時，車窗下降。系統(tǒng)沒有主動制動過程，車窗移好之后，上管觸發(fā)信號停，通過該橋臂下管反并聯(lián)二極管續(xù)流，直到電流為0A。續(xù)流過程

持續(xù)250ms，足以滿足車窗電機(jī)大功率的需求。為了避免車窗電機(jī)啟動瞬間出現(xiàn)電流尖峰，通過對下橋臂開關(guān)管進(jìn)行頻率為20kHz的PWM信號控制，實(shí)現(xiàn)軟啟動功能。

2BTS7960故障檢測特性

如圖3所示，BTS7960的芯片內(nèi)部為一個半橋。INH引腳為高電平，使能BTS7960。IN引腳用于確定哪個MOSFET導(dǎo)通。IN=1且INH=1時，高邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出高電平；IN=0且INH=1時，低邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳

輸出低電平。SR引腳外接電阻的大小，可以調(diào)理MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷的時間，具有防電磁干擾的功能。IS引腳是電流檢測輸出引腳。

圖3全橋驅(qū)動電路示意圖

BTS7960的引腳IS具有電流檢測功能。正常模式下，從IS引腳流出的電流與流經(jīng)高邊MOS管的電流成正比，若RIS=1kΩ,則VIS=Iload/8.5；在故障條件下，從IS引腳流出的電流等于IIS(lim)(約4.5mA),最終的效果是IS為高電平。如圖4

所示，圖（a）為正常模式下IS引腳電流輸出，圖（b）為故障條件下IS引腳上的電流輸出。

BTS7960短路故障試驗(yàn)的試驗(yàn)條件如下：+12.45V電池電壓，+5V電源供電，2.0m短路導(dǎo)線（R=0.2Ω），橫截面積為0.75mm，連接1kΩ電阻和一個發(fā)光二極管。VS與電池正極間導(dǎo)線長1.5m（R=0.15Ω）。如圖5所示，其中VIS是IS

引腳對地的電壓、VL是OUT引腳對地電壓，IL為發(fā)生對地短路故障時，流過BTS7960的短路電流。

（a）

（b）圖4BTS7960電流檢測引腳IS的工作原理圖

無論是先上電后短路還是先短路后上電，BTS7960都浮現(xiàn)出一致的保護(hù)特性，所以下文將只就其一進(jìn)行陳述。

圖5BTS7960的對地短路試驗(yàn)電路圖

圖6和圖7分別為BTS7960先短路后上電短路試驗(yàn)波形圖的前半部分和后半部分。短路瞬間輸出端電流迅速上升，在80μs的時間內(nèi)，電流上升到峰值，可達(dá)62A左右。此時，BTS7960檢測出短路故障，關(guān)斷MOS管，輸出電流下降直至0A,

紫色箭頭所指部分有明顯的關(guān)斷，圖中虛線所夾部分為MOS管的關(guān)斷及維持關(guān)斷的過程，整個過程持續(xù)時間約為80μs。短路導(dǎo)通瞬間，OUT引腳輸出電壓為5V左右，這是短路導(dǎo)線與電池和地之間的總電阻的分壓值；MOS管關(guān)斷期間，OUT引腳輸出電壓為0V。在電流急劇下降的瞬間，短路導(dǎo)線上感應(yīng)出微弱的反向電動勢，所以O(shè)UT引腳輸出電壓會浮現(xiàn)出短時間負(fù)電壓。狀態(tài)檢測引腳IS在5V左右上下波動，其具有隨短路電流上下波動的特點(diǎn)。整個短路過程中，BTS7960周期性的關(guān)斷MOS

管，防止短路電流使芯片持續(xù)升溫，導(dǎo)致芯片過熱燒毀，從而有效地保護(hù)了芯片。最終，BTS7960完全關(guān)斷MOS管，短路電流緩降為0A，IS管腳在MOS管完全關(guān)斷后約500μs由自身的冷卻恢復(fù)至正常電平。

圖2BTS7960短路試驗(yàn)波形圖前半部分

圖7BTS7960短路試驗(yàn)波形后半部分

電動車窗的軟件設(shè)計(jì)

1驅(qū)動芯片BTS7960的軟件設(shè)計(jì)

電動車窗部分，在硬件上通過BTS7960驅(qū)動直流電機(jī)轉(zhuǎn)動，使窗上升或下降。采用兩片BTS7960B構(gòu)成全橋工作。

BTS7960與微控制器的接口信號包括IN1、IN2、INH1和INH2；IS1和IS2是電流檢測信號。

車窗上升：IN1=1，IN2=0，INH1/2=1；車窗下降：IN1=0，IN2=1，INH1/2=1。

整個驅(qū)動過程可分為軟啟動、滿PWM輸出、續(xù)流和中止四個階段。車窗升降過程通過對下橋臂開關(guān)管進(jìn)行PWM控制實(shí)現(xiàn)軟啟動功能，PWM頻率為20kHz，軟啟動持續(xù)200ms，在這一過程中，占空比逐漸增大，從0%增加到100%，分成10

段，每段持續(xù)時間為20ms。PWM信號是施加在下管所在橋臂的INH引腳上，該橋臂關(guān)斷（INH=0）時電流通過上管的反并二極管續(xù)流。經(jīng)PWM信號實(shí)現(xiàn)軟啟動后，電動車窗啟動時的電流波形如圖8所示。從圖中可以看出，電流尖峰被有效抑制。

本系統(tǒng)沒有主動制動過程，車窗移好之后，開關(guān)管還會工作大約250ms，這是續(xù)流過程，這期間，上管觸發(fā)信號停，通過該橋臂下管反并聯(lián)二極管續(xù)流（這時需繼續(xù)給原來另一橋臂的下管觸發(fā)信號，如正續(xù)流時：IN1=1，INH1=0，IN2=0，INH2=1），

直到電流為0。但是假使出現(xiàn)過熱，這種續(xù)流過程就不需要了。

電機(jī)堵轉(zhuǎn)是不允許的，由于這樣會出現(xiàn)過流。BTS7960自身可以檢測開關(guān)管的電流，通過2.2kΩ的采樣電阻電流進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，采樣電壓經(jīng)過簡單的RC濾波網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過一個保護(hù)電阻（未參與）送到AN0/AN1進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。當(dāng)檢測到電

流大于15A時，就可以判斷出電機(jī)正處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時微控制器中止觸發(fā)電機(jī)（仍需續(xù)流），用戶可以重新啟動車窗。

車窗部分要檢測的故障有上橋臂的兩個開關(guān)管過熱和負(fù)載開路。檢測方法一是通過BTS7960內(nèi)置的溫度檢測功能來檢測上管的過熱，發(fā)生過熱時器件自動關(guān)斷所有輸出電路，且IS引腳輸出電平為高；二是需要輔助晶體管檢測開路，通過檢測

IS引腳電流值可以實(shí)現(xiàn)，需要微控制器提供CTRLWIN信號。

圖8電動車窗軟啟動電流波形

2電動車窗主程序的軟件設(shè)計(jì)

本電動車窗控制系統(tǒng)的軟件控制是基于狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。通過比較系統(tǒng)狀態(tài)與控制命令做出判斷，確定出目前系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)執(zhí)行的動作。程序中將電動車窗的運(yùn)行狀態(tài)做了如下劃分：WINDOW_OFF、WINDOW_UP_PWM、WINDOW_UP、

WINDOW_UP_FREE、WINDOW_UP_STOP、WINDOW_DOWN_PWM、WINDOW_DOWN、WINDOW_DOWN_FREE和WINDOW_DOWN