用于在ECU之间传达电源模式的双向I/O

近年来，汽车中的电子控制单元(ECU)数量不断增加，同时有必要降低睡眠电流以提高电池的效率。在汽油动力汽车中，这已成为强制性要求。sIeednc

控制睡眠状态电流的限制

如今，为了节省设计成本，生产商将多个ECU组合在一起并采用单个熔断器/电子熔断器(E-fuse)对其供电，但这会带来独立控制ECU的缺点(图1)。如果想要实现独立的ON/OFF控制，那么设计成本将会显著增加。sIeednc

为了克服成本问题，每个ECU都配备了来自主ECU的附加I/O，称为“IGNITION(点火)”。收到IGNITION输入后，从ECU将从睡眠状态唤醒。这种传统架构有其自身的局限性，例如，它需要额外的通信接口(如LIN、CAN或以太网)来传送电源模式(如睡眠、活动和其他状态信息)。这进一步增加了系统成本。sIeednc

IGNITION是一个单向信号，由主ECU发出，对于从ECU，这只是一个输入。为了检测此IGNITION输入，从ECU中的微控制器(MCU)必须启用唤醒源。即使ECU处于低功耗状态，它也会消耗一些功耗以使MCU以及DC-DC控制器保持在睡眠状态。sIeednc

在许多车辆架构中，CAN或LIN接口用于通信以及无需点火输入情况下的唤醒目的(通过CAN唤醒)。然而，这会比之前的情况消耗更多的睡眠电量。sIeednc

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图1：传统的车辆架构，其中多个ECU组合在一起并由单个熔断器供电，以节省设计成本。这会导致在睡眠状态下控制电流受到限制。sIeednc

推荐解决方案

在推荐的架构中，IGNITION I/O将替换为硬件唤醒I/O(HW_WAKE)。图2给出了具有硬件唤醒I/O的推荐架构的基本框图。sIeednc

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图2：使用硬件唤醒I/O(HW_WAKE)的推荐架构。sIeednc

硬件唤醒I/O的内部电路如图3所示。sIeednc

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图3：硬件唤醒双向电路，具有两个用于控制输出的晶体管、一个用于读取相同I/O的电阻分压器，以及两个用于反向保护的二极管。sIeednc

它由两个用于控制输出功能的晶体管Q₁双器件封装(一个NPN和一个PNP)以及一个用于接收或读取相同I/O的简单电阻分压器(R₂、R₃和R₄)组成。此外，还有两个二极管(D₁、D₂)用于反向保护。sIeednc

这是一个双向I/O，可以用来接收唤醒、重置和睡眠等信号，也可以用来发送反馈和错误状态等信号。推荐设计中，HW_WAKE I/O的电压将跟随电池电压，而电流则被控制为13.5mA。用户可以通过改变电阻R₁来决定其电流。sIeednc

该电路具有短路保护功能，不需要任何协议收发器。HW_WAKE信号可以连接“n”个ECU。为了避免I/O污染，用户可以在置位“HW_WAKE_TX_FROM_MCU_GPIO”之前读取“HW_WAKE_RX_TO_MCU”I/O状态。sIeednc

HW_WAKE信号的优点

由于此HW_WAKE是双向I/O，因此所有ECU都可以充当主机，这在需要多个唤醒源的情况下非常有用(例如，如果有一个ECU醒来并向其他所有ECU发送唤醒信号)。HW_WAKE I/O的默认状态为打开(0V)，仅在需要时才会置位(V_BAT)。控制和状态信息都可以通过采样并发送基于定时的信号，通过该单线接口进行传输。sIeednc

在使用HW_WAKE I/O时，可以避免使用LIN或CAN协议介质，从而节省大量的设计和实现成本。用户可以对所有信号实施自己的定时。可以在睡眠状态下将ECU完全断电，这样就可以实现接近0mA的超低功耗。这可以通过将“HW_WAKE_RX_TO_MCU”连接到DC-DC转换器的使能引脚来实现，从而使能电源。这也会使能MCU，而一旦MCU启动，它就会保持DC-DC转换器的使能。sIeednc

当接收到睡眠/断电信号时，MCU会禁用电源的使能。这会完全关闭电源(如自毁)，从而实现超低(0mA)功耗。sIeednc

时序示例

控制和状态信息以及时序示例如图4所示。sIeednc

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图4：WAKE_IN、ACK、ERROR和POWER DOWN/SLEEP的控制和状态时序示例。sIeednc

• WAKE_IN：该信号由主ECU通过简单地置位HW_WAKE来触发。所有其他ECU将根据该信号唤醒。信号的典型高电平时间为100ms(低电平时间不适用)。
• ACK：从ECU通过简单地置位HW_WAKE来将确认信号发送回主机。信号的典型高电平时间为20ms(低电平时间不适用)。
• ERROR：从ECU发送模式信号高-低-高-低-高，以传达错误状态。信号的典型高电平时间为20ms，而典型低电平时间为10ms。
• POWER DOWN/SLEEP：将HW_WAKE置位200ms，即可将断电或睡眠信号从主机传送到所有从ECU。

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Rajesh Subramanyam(IEEE高级会员)在印度金奈安娜大学获得电气和电子工程学士学位。他目前在美国加州一家电动汽车公司担任高级硬件设计工程师，拥有汽车信息娱乐控制器硬件设计的核心专业知识。Rajesh也是SAE国际期刊编辑审查委员会的成员。sIeednc

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Selvakumar Sonai(IEEE高级会员)在印度BITS Pilani获得微电子学硕士学位。他目前在美国加州一家电动汽车公司担任高级硬件设计工程师，拥有汽车信息娱乐控制器硬件设计的核心专业知识。Sonai是IEEE Transactions on Circuits and Systems(IEEE电路与系统学报)的成员，也是SAE内部期刊的编辑审查委员会成员。sIeednc

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Logesh Sekar(IEEE高级会员)获得印度钦奈安娜大学电气和电子工程学士学位。他目前在美国加利福尼亚州的一家电动汽车公司担任高级硬件设计工程师，拥有汽车信息娱乐控制器硬件设计的核心专业知识。Sekar也是SAE国际期刊编辑审查委员会的成员。sIeednc

（原文刊登于EDN美国版，参考链接：Bidirectional I/O for communicating power mode between ECUs，由Franklin Zhao编译。）sIeednc

本文为《电子技术设计》2023年12月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。sIeednc