基于CAN總線的大電流電子繼電器的設(shè)計

楊云露, 龔元明,周建鵬

(上海工程技術(shù)大學 汽車工程學院，上海 201620)

0 引言

目前在汽車領(lǐng)域中普遍采用電磁繼電器做功率開關(guān)器件，但由于電磁繼電器本身有機械壽命、有吸合釋放聲音以及開關(guān)速度慢等缺點，在某些高端車型的靜音、超長壽命需求以及精確的延時控制等特殊場景中，傳統(tǒng)的電磁繼電器已無法滿足要求。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，加之應用領(lǐng)域的多樣性，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了幾種新型的負載開關(guān)，比如固態(tài)繼電器(SSR)、光MOS繼電器等。本設(shè)計借鑒了在光MOS繼電器開發(fā)中選用功率場效應管作為功率器件的成功經(jīng)驗，用NMOS AUIRFSA8409作為控制負載的主要元件來代替繼電器，引入嵌入式微處理器Infineon XC2234L實現(xiàn)智能化，處理器能夠根據(jù)負載運行狀態(tài)實時采集流經(jīng)電子繼電器的輸入端電壓和電流、負載端電壓以及PCB板上NMOS管自身的溫度，同時設(shè)計開發(fā)了上位機端標定軟件，利用USB-CAN發(fā)送信息給上位機，實現(xiàn)與上位機之間的雙向通信，將輸入端電壓、電流、負載端電壓以及MOS管溫度實時傳給上位機，以此實現(xiàn)監(jiān)控、保護及通信功能。與電磁繼電器相比，該電子繼電器可以對負載進行實時檢測，其響應速度快、靈敏度高、功耗低、壽命長、控制電流大，是現(xiàn)代繼電器發(fā)展的趨勢。

1 設(shè)計參數(shù)與選型

1.1 設(shè)計參數(shù)及原理

電子繼電器滿足的功能指標參數(shù)如下：

1)輸入電壓：12～24 V；

2)輸出負載電流：200 A；

3)通訊方式遵循基于CAN2.0B的主從式協(xié)議；

4)輸入輸出隔離；

5)電子繼電器節(jié)點的實時電流可測量，實現(xiàn)在線檢測節(jié)點狀態(tài)。

電子繼電器的工作原理為：本文設(shè)計了一種智能化電子繼電器，電子繼電器采用Infineon XC2234L微處理器、N型MOS管和CAN總線收發(fā)器為控制核心，它具有總線通信和在線診斷功能，電子繼電器自身發(fā)生故障時，可以自動通過CAN總線發(fā)送報文，輸入端電壓過高時(可以軟件設(shè)置)，可以自動斷開輸入和輸出的通斷狀態(tài)。當溫度傳感器檢測到MOS管溫度超過預設(shè)值時，電子繼電器能夠進行熱關(guān)斷，起到保護MOS管的功能。同時MOS管具有反向電壓保護功能，可在反向負載條件下保護MOS管。此外，電子繼電器能與上位機進行CAN總線通信，可對輸入電壓、電流、輸出電壓和溫度進行自動檢測并在上位機界面顯示，同時對異常情況進行報警與處理。圖1是該電子繼電器在汽車上作為雙電池開關(guān)的一個實例應用。

圖1 電子繼電器應用實例

1.2 MOS管選型

功率場效應管的選擇是設(shè)計技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。功率MOS管選擇時，應充分考慮到電子繼電器設(shè)計所要求的耐壓、工作電流以及導通損耗大小，選擇的正確步驟分別是確定溝道類型、確定額定電流、確定熱要求以及決定開關(guān)特性[1]。由于增強型N溝道MOS管導通電阻小并且容易制造，加之本文在設(shè)計MOS管的隔離驅(qū)動電路時柵極電壓是9 V，源極接地，所以選擇NMOS作為開關(guān)器件；額定電流是負載在所有情況下能夠承受的最大電流，同時要考慮MOS管在連續(xù)導通和瞬態(tài)脈沖尖峰時的電流情況；在散熱方面，主要是選擇導通電阻比較低的MOS管，這樣電流就會在這個電阻上消耗的能量較低，功耗較低，在通大電流時其內(nèi)部溫度不會超過安全余量；最后一步是決定MOS管的開關(guān)性能，由于MOS管是電荷控制器件，對MOS管的驅(qū)動實際上就是對內(nèi)部寄生電容的充放電，驅(qū)動要求由其柵極總充電電量參數(shù)決定。同時必須保證由能夠提供足夠灌入和拉出電流的低阻抗源來驅(qū)動，以實現(xiàn)控制電荷的快速嵌入和脫出。但開關(guān)頻率越快，器件開關(guān)損失也越大，因此優(yōu)先選擇導通電阻小的MOS管來減小導通損耗。

在本文的設(shè)計參數(shù)中，負載最大電流達200 A，由于功耗與工作電流大小成正比，這將對MOS管造成巨大的損耗，同時對其性能也提出了更高的要求。在電路設(shè)計時，采用8個MOS管來實現(xiàn)主電路的分流，平均每個MOS管的最大工作電流為25 A，在實際使用時，MOS管最大過電流值一般是設(shè)計參數(shù)的30%～50%，因此一般選擇過電流能力達100 A以上的MOS管開關(guān)器件[2]。根據(jù)設(shè)計目標，本文選取英飛凌N溝道增強型MOS管(AUIRFSA8409)即可滿足要求，其耐壓大小為40 V、導通電阻0.5 mΩ、瞬態(tài)脈沖尖峰電流523 A、額定電流360 A，且具有175 ℃的結(jié)溫以及快速的開關(guān)速度等特性。

2 CAN總線技術(shù)

CAN總線是ISO國際標準化的串行通信協(xié)議。它的短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、非破壞性總線仲裁技術(shù)以及靈活的通訊方式，使CAN總線具有很高的可靠性和抗干擾性，滿足了汽車對總線的實時性和可靠性的要求[3]。CAN總線采用CANH和CANL兩根導線差分傳輸信號，總線上某一時刻表現(xiàn)的數(shù)值由這兩根導線的電壓差值決定，信號在總線上基于非破壞性仲裁機制競爭，信號方向相反，這樣可以提高抗干擾性能。在本電子繼電器中，Infineon XC2234L微處理器內(nèi)部集成MultiCAN控制器，CAN控制器與物理總線之間需CAN收發(fā)器作為接口，它實現(xiàn)CAN控制器邏輯電平與CAN總線差分電平之間的轉(zhuǎn)換。本文選擇了Infineon TLE6250 CAN收發(fā)器作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口。其數(shù)據(jù)收發(fā)過程是控制器發(fā)出TTL電平信號給收發(fā)器，收發(fā)器將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)化為CAN標準的差分信號，將控制器傳來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號并將其送入CAN總線上?？偩€上的輸入輸出端電壓、電流和MOS管溫度數(shù)據(jù)通過外部CAN接口卡USB-CAN與上位機進行通訊，上位機通過 USB-CAN讀取數(shù)據(jù)，從而圖形化、數(shù)字化地監(jiān)控和顯示輸入輸出端電壓、電流和MOS管溫度的實時數(shù)據(jù)狀態(tài)。若微處理器監(jiān)測到MOS管的溫度過高，輸入端電壓超過設(shè)定值，則微處理器將通過CAN總線將故障碼傳輸至上位機進行報警、自動斷開輸入輸出端等保護處理，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

電子繼電器硬件電路主要包括電源穩(wěn)壓電路、DC-DC隔離驅(qū)動電路、MOS管驅(qū)動電路、溫度采樣電路、電流采樣電路以及CAN總線收發(fā)電路等。

3.1 電源穩(wěn)壓電路

系統(tǒng)主控制芯片在電壓為5 V的環(huán)境下工作，大部分外圍電路也是5 V供電，所以電源模塊的穩(wěn)定性和可靠性是整個電子繼電器安全可靠有效運行的前提。圖2為電源電路圖，電源芯片選用MIC4680，根據(jù)該芯片的數(shù)據(jù)手冊設(shè)計電路，在輸入端VIN接入12 V直流電壓，從輸出端Switch引腳輸出的即為5 V直流電壓。為了盡可能降低電源的干擾，在VIN端加一個濾波電容，在輸出端加一個肖特基二極管1N5819是為了防止系統(tǒng)反向的高壓，RC電路用于整流濾波。

圖2 電源穩(wěn)壓電路

3.2 MOS管隔離驅(qū)動電路

為了實現(xiàn)主電路與控制電路的電氣隔離，驅(qū)動電路電源與微處理器系統(tǒng)電源必須相互隔離，本文的MOS管選擇DC-DC光耦隔離驅(qū)動，得到兩路相互隔離的電源。其中DC-DC芯片選型為B0509XT、光電耦合器選型為AQY210EH、MOS管選型為NMOS AUIRFSA8409，光耦隔離電路和MOS管驅(qū)動電路如圖3所示。

圖3 MOS管隔離驅(qū)動電路

3.3 溫度采樣電路

溫度采樣芯片選用AD7416，它是一種基于IIC總線接口的數(shù)字溫度傳感器芯片，它包括一個帶隙溫度傳感器和一個用來監(jiān)視并將溫度數(shù)字化的10位A/D轉(zhuǎn)換器，其精度達0.25 ℃，溫度測量范圍-55～125 ℃。工作電源電壓在2.7～5.5 V之間，具有標準IIC總線接口[4]。由于采用低功耗CMOS技術(shù)，它具備掉電工作模式。AD7416的引腳配置如圖4所示。其中SDA—串行地址/數(shù)據(jù)雙向I/O端。漏極開路，使用時須接上拉電阻。本文中的上拉電阻阻值為10 K。

圖4 溫度采樣電路

SCL為串行時鐘輸入端。2.7 V時可達100 kHz，5 V時達400 kHz。

OTI為超溫輸出，漏極開路?？勺鳛橹袛噍敵鲂盘枴Ｔ谙到y(tǒng)構(gòu)成時，為降低功耗，上拉電阻取值至少大于10 K，本文上拉電阻取值為10 K。

A0、A1、A2為地址引腳，AD7416可以級聯(lián)至多8片在同一個IIC上。

VCC(2.7～5.5 V)和GND 提供工作電源。

AD7416通過IIC內(nèi)部總線(時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA)與微處理器進行通信，數(shù)據(jù)傳送時，當時鐘線為高電平，數(shù)據(jù)線必須保持在穩(wěn)定狀態(tài)，不能有跳變。否則數(shù)據(jù)線上任何電平變化都將被看作總線的起始或者停止信號。在時鐘線保持高電平期間，數(shù)據(jù)線電平由高到低被看作是IIC線的起始信號，由低到高被看作是IIC線的停止信號。

3.4 電流采樣電路

電流采樣芯片選用ACS758，它是一種帶100 μΩ電流導體的增強散熱功能、全集成、基于霍爾效應的線性電流傳感器。其采樣電路如圖5所示。

3.5 CAN總線收發(fā)電路

在CAN網(wǎng)絡通信中一般每個節(jié)點都包括CAN收發(fā)器、CAN控制器、微處理器三部分[5]。本文選用的Infineon XC2234L微處理器集成了MultiCAN控制器，MultiCAN已經(jīng)將CAN的底層協(xié)議(物理層和數(shù)據(jù)鏈路層)集成到芯片硬件中。CAN總線收發(fā)器選用Infineon公司的TLE6250GV33，它是一種高速CAN收發(fā)器，數(shù)據(jù)傳輸速率達1Mbaud，具有過溫保護、良好的EMC性能，以此實現(xiàn)MultiCAN控制器與總線之間邏輯電平信號的轉(zhuǎn)換。同時為了增強CAN通信的可靠性，CAN總線網(wǎng)絡的兩個端點通常均接有抑制反射的終端匹配電阻。一般CAN總線用的是標準的雙絞線，其特性阻抗大約為120 Ω，所以終端電阻R值一般取值為120 Ω。CAN收發(fā)器引腳結(jié)構(gòu)如圖6所示，CAN通信電路如圖7所示。

圖5 電流采樣電路

圖6 CAN收發(fā)器引腳結(jié)構(gòu)

圖7 CAN通信電路

XC2234L內(nèi)部MultiCAN控制器通過引腳CAN0-TxD和CAN0-RxD與CAN收發(fā)器連接，進行數(shù)據(jù)收發(fā)的傳輸。在TLE6250GV33的+5 V供電電壓設(shè)計C15的電容，是為了濾除電源的尖峰干擾，同時增加電源穩(wěn)定性。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件主要包括溫度采樣子程序、CAN模塊軟件設(shè)計和上位機監(jiān)控端程序等。

4.1 溫度采樣子程序

首先使用Dave對XC2234L微處理器進行IIC配置，XC2234L內(nèi)部含有2個USIC模塊，通過配置USIC1來配置USIC使用的協(xié)議，選擇通道CH0(U1C0)配置為使用IIC協(xié)議，主控模式，SCL引腳為P10.8，SDA引腳為P10.13，波特率設(shè)置為100KBand，地址模式為10位。在Functions中選擇函數(shù)“U1C0_IIC_vWriteData”、“U1C0_IIC_uwReadData”、“U1C0_IIC_uwGetStatus”、“U1C0_IIC_vResetStatus”、“U1C0_IIC_vEnableACK”、“U1C0_IIC_vDisableACK”。AD7416的內(nèi)部功能框圖如圖8所示。

圖8 AD7416的內(nèi)部功能框圖

通過IIC接口對AD7416的內(nèi)部寄存器進行讀寫操作，AD7416的片內(nèi)帶隙溫度傳感器可按預先設(shè)置的工作方式對MOS管溫度進行實時測量。首先在配置寄存器中預先設(shè)置工作方式D0為自動測溫，每隔400 μs對溫度測量一次。再根據(jù)AD7416芯片手冊提供的溫度與輸出數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化關(guān)系，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量存到溫度值寄存器中，在數(shù)據(jù)傳輸時，AD7416作為從器件通過SDA和SCL兩條線與總線相連，當SCL保持高電平時，SDA從高電平到低電平的沿跳變?yōu)殚_始信號，之后傳輸?shù)刂沸畔⒆x寫控制位，數(shù)據(jù)格式為1001A2A1A0R/W[6]。1001是它的特征位，A2A1A0是3位地址碼，讀寫控制位R/W為0時表示“寫”，1表示“讀”。當主器件發(fā)送寫指令1001A2A1A00，由函數(shù)“U1C0_IIC_vWriteData(uword uwTDF, uword uwData)”完成寫數(shù)據(jù)操作，寫到地址指針寄存器，當每個字節(jié)傳送結(jié)束時，必須在收到接收數(shù)據(jù)一方的確認信號ACK后方可開始下一步的操作，所以當主器件接收到確認信號ACK后，就可以發(fā)出待寫數(shù)據(jù)到總線。當主器件發(fā)送讀指令1001A2A1A01，收到ACK后，產(chǎn)生讀時鐘SCL，由函數(shù)“U1C0_IIC_uwReadData(void)”完成字節(jié)讀操作。最后，當SCL保持高電平，SDA從低電平跳變到高電平時將終止數(shù)據(jù)的傳輸。

4.2 CAN模塊軟件設(shè)計

CAN模塊設(shè)計是整個軟件設(shè)計的基礎(chǔ)。CAN通訊模塊包括CAN初始化程序、報文接收程序和報文發(fā)送程序。其中初始化需要在復位的模式下進行，主要是對控制器工作方式、驗收屏蔽寄存器、驗收濾波方式、波特率參數(shù)、驗收代碼寄存器和中斷允許寄存器等的設(shè)置，這一過程在Dave中配置好微處理器的收發(fā)引腳時自動完成；CAN總線收發(fā)程序包含總線接收函數(shù)與消息發(fā)送函數(shù)，用到的函數(shù)包括“CAN_vGetMsgObj”、“CAN_vTransmit”、“CAN_vLoadData”以及“CAN_vReleaseObj”。CAN通信流程如圖9所示。

圖9 CAN通信流程圖

待初始化完成后，主程序進入循環(huán)狀態(tài)，隨時檢測總線發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過中斷進行消息的接收和分辨等，然后再通過CAN_vTransmit發(fā)送函數(shù)將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)以設(shè)計好的CAN報文形式發(fā)送至PC端上位機監(jiān)測軟件。其中圖10是上位機主窗口界面，圖11是現(xiàn)場測試圖。

圖10 上位機主窗口界面

圖11 現(xiàn)場測試圖

電子繼電器通過汽車線束接插件、USB-CAN接口卡與上位機進行通信。電子繼電器上電之后，通過CAN總線發(fā)送報文，當輸入端電壓過高時，電子繼電器可以自動斷開輸入和輸出的通斷狀態(tài)并在上位機端進行實時監(jiān)測顯示。當檢測到溫度超過一定值時，電子繼電器能夠進行熱關(guān)斷，起到保護MOS管的作用。實時檢測繼電器的外部供電電壓、負載電流、板內(nèi)MOS管溫度以及負載輸出端電壓。并可通過參數(shù)設(shè)置來設(shè)置繼電器電壓、電流與溫度的安全范圍，將數(shù)據(jù)固化到微處理器中，以此監(jiān)測和保護電子繼電器。

5 實驗結(jié)果與分析

表1是經(jīng)大量實驗測試得出的結(jié)果，輸入電壓范圍為9～20 V，所加負載電流范圍在100～200 A，每一階段測試時間大約為30 min。利用紅外測溫槍分別測試不同負載不同時間下6個MOS管的溫度，由于考慮到成本因素，在焊接元器件時只焊接了6個MOS管進行實驗。由于功率MOS管不是理想器件，所以在實際使用過程中，其導通及關(guān)斷時間并不是一樣的，由數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出溫度分布也有一定的差異。隨著負載電流的逐漸增加，MOS管的功耗以及溫度也在不斷增加，當負載電流達到200 A時，由于在程序中設(shè)置的過溫保護上限為90度，電子繼電器能夠及時的進行熱關(guān)斷，并且CAN報文數(shù)據(jù)收發(fā)準確、MOS管溫度控制在合理范圍內(nèi)，且能穩(wěn)定控制200 A的負載。若是按照電路圖設(shè)計的8個MOS管來對負載進行接通和分斷，則預計實驗效果會更加可觀，每個MOS管中的工作電流大小會降低，損耗也會降低，測得的溫度值也會更低。同時由實驗結(jié)果可知，由于MOS管這樣的大功率器件高密度地集成在一塊PCB板上，當MOS管的工作溫度超過最高結(jié)溫(降額使用限于125 ℃)時，其性能會顯著下降，甚至失效，所以PCB板的散熱問題仍然是下一步研究的重點。部分實驗測試結(jié)果如表1所示。

6 結(jié)束語

本文選用Infineon公司的XC2234L芯片設(shè)計開發(fā)了基于CAN總線技術(shù)、利用MOS管的大功率驅(qū)動功能的電子繼電器。通過大量實驗進行軟硬件聯(lián)調(diào)以及現(xiàn)場實際測試驗證了該電子繼電器的功能和穩(wěn)定性。它既保留了常規(guī)固態(tài)繼電器使用壽命長、可靠性好以及靈敏度高等長處，又具有傳統(tǒng)電磁繼電器導通電阻低、輸出線性好的優(yōu)點，從而開拓了基于MOS管固態(tài)繼電器件應用的新領(lǐng)域[7]。將電子繼電器作為汽車電氣系統(tǒng)的負載開關(guān)，能夠克服傳統(tǒng)電磁式繼電器在通過大電流時產(chǎn)生的電火花、電弧干擾以及整車機械振動帶來的觸點誤動等各種不足，可靠地保護汽車負載系統(tǒng)和監(jiān)測負載參數(shù)，具有很好的市場應用前景。

表1 實驗測試結(jié)果