在汽车电子模块设计中如何降低静态电流，从哪几方面进行处理

随着汽车电子控制器在汽车里的数量越来越多，对于汽车电子控制器静态电流的要求也在不断增高。如何降低汽车电子控制器的静态电流，也成为系统硬件设计中的一个难点和挑战。本文希望就此主题做个有限范围的讨论，阐述如何从硬件设计角度来降低静态电流。图1给出了典型的汽车电子模块示意图，由于这个主题所涉及的范围比较多，下面我们只讨论以下三种情况下静态电流的处理：

（1）有源低有效输入（Active Low Input）；

（2）有源低有效输出（Active Low Output）；

（3）对电源的处理。

图1：典型的汽车电子模块示意图。

（1）有源低有效输入

图2为有源低有效输入的威廉希尔官方网站 图。图中V+ = 12.8V，S1为“开”的状态，微处理器供电电压为5.0V。

图2：有源低有效输入威廉希尔官方网站 图。

如果按照IQ = 12.8V/（R1 + R2 + R3） = 86mA来计算这个威廉希尔官方网站 的漏电流，那就可能错了！正确的计算是：绝大多数微处理器的I/O口都会有一个用于输入保护的钳位二极管（Clamp Diode），例如图3中的D2。钳位二极管D2会连接到微处理器的供电电源，因此实际用来分析的威廉希尔官方网站 应该是如图3所示。

图3：带有钳位二极管的有源低有效输入威廉希尔官方网站 图。

因此，IQ =［V + （-5.6V）］/（R1 + R2） = 148（mA）。

这个计算结果和未考虑钳位二极管的计算结果有62mA的差别（148mA - 86mA = 62mA），对于有多个有源低有效输入的控制器来说（比如车身控制器BCM），还是不能忽视的。

为了更好地验证控制器中的静态电流，还需要仔细验证如下的每一项：

- 如果可以的话，关掉上拉电阻，因为它会提供电流到地的路径；

- 哪个输入引脚是高有效、低有效、不活动状态、开路状态；

- 是否有任何外部负载或开关与输入或输出并联，它们的状态是什么。

（2）有源低有效输出

对于有源低有效输出威廉希尔官方网站 ，又该如何考虑连接负载后在模块中的漏电流呢？

对于双极性晶体管（BJT）集电极开路（OC）的应用（图4），要特别注意温度变化对漏电流的影响，特别是ICEO对晶体管BJT的影响。ICEO是由少数载流子漂移运动形成的，它与环境温度关系很大，ICEO随温度上升会急剧增加。温度每上升10℃，ICEO将增加一倍。用MOSFET作为低边输出或者高边输出则好很多（图5），因为MOSFET本身的源漏电流就很小，且MOSFET对温度的变化不敏感。

图4：双极性晶体管BJT的集电极开路（OC）威廉希尔官方网站 。

图5：MOSFET作为低边输出。

在有源低有效输出情况下，考虑优化静态电流的一些对策包括：

- 考虑用MOSFET或者达林顿管来替代双极性晶体管；

- 哪些输出为开、关、外部接地或供电。

为了更加精确地分析控制器的静态电流，可以用表格把每个单元威廉希尔官方网站 “贡献”的静态电流全部列出（表1）。这样可以一目了然，对控制器的静态电流的分布熟谙于心。

表1：每个单元威廉希尔官方网站 “贡献”的静态电流列表。

从表1中可以看出，规格书（Spec）要求最大静态电流是2.0mA，分析出来的结果是2.46mA，最差威廉希尔官方网站 分析情况下是2.934mA。总的静态电流超过了规格书的要求，接下来的设计任务就是如何进一步减少每个单元威廉希尔官方网站 的静态电流来满足规格书的要求。

（3）对电源的处理

用处理器的I/O控制在系统关电（点火开关“关”）时把不用的电源关掉是个不错的办法。如图6所示，VBATT1经过一个受处理器I/O控制的开关变成VSWBAT——图6中Q24的基极B用处理器的一个I/O来控制，置“高”时VSWBAT打开，置”低”时VSWBAT关闭。这样可以在需要有VBATT1供电时再接通它。

图6：用软件控制在系统关电时把不用的电源关掉。

以下为对电源处理的一些设计建议：

- 考虑使用更低静态电源功耗的IC；

- 对于开关威廉希尔官方网站 ，选择NPN/PNP配置，以便所有设备都能在静态状态下关闭（不需要一个晶体管打开，那就用另一个晶体管来保持它关闭）；

- 识别电流流过的每个供电（或接地）路径，仅包括电流通过模块，而不是绕过模块的电流；

上面初步讨论了对于降低静态威廉希尔官方网站 的一些建议和经验。对于汽车电子的整体设计来说，这些还是不够的，还需要在系统的层面来做更深入的研究，例如以下的一些建议。

更进一步考虑用于减少系统静态电流的一些建议：

- 尽可能降低开关时钟速度（尤其是微处理器的振荡器）；

- 使用具有可用中断或唤醒输入的微处理器，这些输入可以配置为允许微处理器“休眠”；

- 降低必须间歇性唤醒然后重新进入睡眠状态的威廉希尔官方网站 的占空比；

- 对于必须在静态电流期间保持某些功能的模块，请考虑双时钟频率或双处理器架构；

- 同样，考虑使用允许主处理器在能够响应的情况下休眠的专用总线通信IC。

综上所述，静态电流的控制只有在设计的初期做好整体的架构拓扑设计、器件选型和优化、设计优化以及软件控制策略结合等工作，才可以将静态电流控制在规格书的范围以内。

作者简介：

高杨

近20年在汽车电子TOP10公司经验，特别是在车载控制器领域（多媒体、车身、驾驶辅助及VCU）。曾任职博世汽车专家级工程师，超过10年在汽车零部件（博世和大陆汽车），5+年汽车半导体（德州仪器和英飞凌），历任多种资深（系统、设计、产品）工程师职务。丰富的平台开发（从0到1）及产品开发的工程经验和技术积累。 Ford SYNC第一代的核心硬件工程师，定义和开发了德州仪器（TI）第一款智能高边驱动器（TPS1H100-Q1），填补了公司在汽车电子市场的技术路线和市场空白。 整理和标准化了与设计开发的技术文件，可以直接用于指导设计及融入公司的文件体系中，满足体系审查要求和提高公司的设计流程和管理水平。硬件设计流程管理的模板（45+篇），硬件设计评审和检查清单模板（50+篇）。 企业内训师认证（TTT） ，超过2500页汽车电子设计培训内容PPT，满足从入门、中级及高级汽车电子设计的培训要求，目前在4家企业内部实施过培训，收到了很好的反馈。 目前获得13件汽车电子专利（截止2019年12月）。《EDN电子技术设计》汽车电子专栏作者

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