安全氣囊在汽車輔助約束系統(tǒng)(SRS)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前,乘用車安裝安全氣囊已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)。大家都知道在汽車發(fā)生碰撞時,安全氣囊和安全帶可降低車內(nèi)人員頭部和上身撞擊車內(nèi)部件的幾率。它們還可通過使撞擊力更均勻地分布來降低人員受傷的風(fēng)險。但是現(xiàn)在,許多人已經(jīng)認(rèn)識到能給人帶來安全的輔助約束系統(tǒng)也有可能會危及車內(nèi)人員的生命安全。因此,在開發(fā)安全系統(tǒng)時,必須全面考慮系統(tǒng)的各種特性,以確保達到所需的安全水平。為了解決這方面的問題,英飛凌開發(fā)出了具有豐富特性的氣囊觸發(fā)芯片,可幫助系統(tǒng)實現(xiàn)自動故障防護功能。

簡介

亞洲的汽車安全氣囊系統(tǒng)市場預(yù)計將繼續(xù)增長,這主要得益于中國市場的增長。未來五年,該市場的增幅將達到25%。此外,韓國出口歐美的汽車裝備了越來越多的安全氣囊,這主要是因為歐美地區(qū)實施的新安全法規(guī)。目前,韓國的乘用車已經(jīng)100%裝配正面安全氣囊,頭部安全氣囊的增幅預(yù)計到2013年將達到44%。中國市場目前的正面安全氣囊安裝率只有62%,因此我們預(yù)計該領(lǐng)域?qū)瓉硌该驮鲩L。另外,隨著中國車輛出口的不斷增長,安全問題也越來越受到關(guān)注,因此我們預(yù)計今后四年,側(cè)面和頭部安全氣囊也將不斷增長。

目前,隨著歐美新法規(guī)的實施,安全氣囊系統(tǒng)預(yù)計將變得更加完善。原始設(shè)備制造商將面臨著價格壓力,需要應(yīng)對平衡成本、創(chuàng)新與可靠性的挑戰(zhàn)。相關(guān)研究顯示,目前平均售價為105美元的正面安全氣囊預(yù)計4年之后成本將降低15%。業(yè)內(nèi)認(rèn)為可靠應(yīng)用是汽車安全氣囊系統(tǒng)最重要的問題,因此,本文將探討在較差的運行條件下(例如泄漏和低壓)如何平衡安全要素和系統(tǒng)成本。

近30年來,歐洲路面的車輛增加了三倍,但道路卻只增加了二倍。隨著交通量的日益增大,現(xiàn)代汽車呈現(xiàn)出為駕駛員和乘客提供越來越高的安全性和舒適性的態(tài)勢。

在提高汽車安全性和舒適性方面,電子技術(shù)與其他化學(xué)技術(shù)和機械技術(shù)發(fā)揮了重要作用。如今GPS系統(tǒng)、自動鏡、自動燈、電動座椅、電子噴射裝置和其他上百個功能都成為汽車不可或缺的一部分。但除了舒適性以外,用戶還希望為自己和家人購買具備更高安全性的汽車。

因此,安全系統(tǒng)開始發(fā)揮作用。目前,汽車提供諸如ABS、ESC、ASR、安全氣囊、行人保護等主動與被動安全系統(tǒng)。今后,由于道路還遠(yuǎn)不能達到百分之百安全,因此該市場有望持續(xù)增長。

原來的安全系統(tǒng)采用分立式組件提供所需功能,但近些年來,所有系統(tǒng)都采用了集成方式。目前多數(shù)RCU(安全防護控制單元)都是由MCU(主控單元)、通信接口、電源、傳感器接口和燃爆電路構(gòu)成。本文涵蓋RCU的燃爆電路部分。下文將探討安全氣囊系統(tǒng)的安全性和應(yīng)用IC的相關(guān)安全特性。

氣囊安全性

開發(fā)安全系統(tǒng)時必須全面考慮系統(tǒng)的各種特性,以確保達到所需的安全水平。從系統(tǒng)的角度出發(fā),安全氣囊控制器必須具備兩個安全特性:1. 在事故條件下的觸發(fā)；2. 防止意外觸發(fā)。

上述兩種特性都必須遵照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(即IEC 61508)的具體要求,確保達到相應(yīng)的安全水平。

安全系統(tǒng)的相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)提出了“自動防故障”理念。當(dāng)安全系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,其設(shè)計應(yīng)該確保故障不會損壞相鄰的系統(tǒng)或?qū)θ藛T造成傷害。

乍看之下,有人可能會覺得第一個特性比第二個特性更重要。然而,事實并非如此。當(dāng)安全系統(tǒng)檢測到意外事故時,如果因為某種故障無法完成氣囊的觸發(fā),就會造成人員傷亡,盡管如此絕大多數(shù)車主仍希望永遠(yuǎn)無需觸發(fā)安全氣囊。另一方面,在RCU安裝到汽車上之后,從汽車測試期到使用周期結(jié)束,隨時都可能發(fā)生安全氣囊意外觸發(fā)。如果出現(xiàn)這種情況會對相關(guān)人員造成傷害(工廠工人、汽車駕駛員或修車廠技工)。

綜合考慮,應(yīng)當(dāng)盡可能確保在發(fā)生意外事故時實現(xiàn)安全氣囊的正確觸發(fā),同時也必須努力防止安全氣囊的意外觸發(fā)。

為了使大家能夠更好地了解安全氣囊系統(tǒng)以及如何實現(xiàn)故障防護功能,有必要介紹一下整個系統(tǒng)的運行原理(參見圖2)。

通常情況下,汽車衛(wèi)星傳感器接口獲取外部傳感器(加速度或壓力傳感器)發(fā)送的數(shù)據(jù)并對其進行分析。這些傳感器依據(jù)功能或所屬類型(前端碰撞加速度傳感器、側(cè)面碰撞壓力傳感器或側(cè)面碰撞加速度傳感器)的不同而分布于汽車的前端、車門內(nèi)或B柱上。如果出現(xiàn)碰撞事故,傳感器承受的絕對加速度或壓力就會大幅提高,使主微控制器得知發(fā)生了碰撞事故。這時主微控制器必須依據(jù)該傳感器的數(shù)據(jù)、板載傳感器的數(shù)據(jù)、座椅的位置和其他參數(shù),決定是否觸發(fā)安全氣囊。

如果決定觸發(fā)安全氣囊,主微控制器就會向燃爆接口發(fā)送指令。與此同時,備用系統(tǒng)(通常為備用8位微控制器)也必須依據(jù)更基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)(即僅板載傳感器數(shù)據(jù))做出決定,讓指定硬件線路允許燃爆IC觸發(fā)氣囊。

觸發(fā)是使電流流過燃爆管(通常在至之間)實現(xiàn)的。燃爆管在此用作電阻僅為幾歐姆的電阻器,因此要想節(jié)省能量必須控制電流。如果電流流經(jīng)燃爆管達到一定時間(通常至2ms),安全氣囊就將完成觸發(fā)。

從生成傳感器信息、發(fā)送傳感器信息、分析所有參數(shù)、做出決策、將決策傳輸至觸發(fā)IC到最終確保電流僅在需要時通過燃爆管,在這整個流程中必須確保有可靠的自動防故障性能。

下文將針對觸發(fā)氣囊流程的最后兩步展開分析。

圖1:安全氣囊的ECU簡圖。

觸發(fā)IC的安全特性

英飛凌現(xiàn)有的觸發(fā)IC具備多種可確保自動防故障功能的特性。其中包括:

1. CrosSave

2. 泄漏檢測

3. 啟動軟硬件進行觸發(fā)

4. 電阻測量

5. 開關(guān)測試

6. 高側(cè)供電(HSS)診斷

7. 板載電壓測量

上述特性中,前三種專用于防止意外觸發(fā),剩下的用于確保在需要時完成觸發(fā)1。下文將論述所有這些特性。

CrosSave

為了在可能出現(xiàn)的“生產(chǎn)故障”(缺陷芯片、ESD損壞等)條件下,實現(xiàn)自動防故障功能,安全氣囊系統(tǒng)需要具備冗余或多樣化特性。每個燃爆管配備兩個開關(guān)(參見圖2)。這兩個開關(guān)確保電流只有在規(guī)定的條件下流入燃爆管。

圖2:氣囊驅(qū)動芯片的簡化框圖。

這種特性可通過三種方式實現(xiàn):采用單片IC集成高側(cè)(HS)和低側(cè)(LS)開關(guān)；采用兩個相同的IC,但通過PCB設(shè)計使高側(cè)開關(guān)和低側(cè)開關(guān)分離(交叉耦合)；或者采用兩種不同的技術(shù),將兩個不同的芯片集成至一個封裝內(nèi)(CrosSaveTM)。

采用單片IC時,如果芯片發(fā)生故障,就會帶來危險。因為兩個開關(guān)都集成在一個裸片上,因而無法實現(xiàn)自動防故障功能。

第二和第三種方式分離了兩個開關(guān),一旦出現(xiàn)故障,只是一個開關(guān)會受損,仍能實現(xiàn)自動防故障功能。哪種方式更加安全則需要進一步探討。

CrosSaveTM (參見圖3)具備單一封裝優(yōu)勢,與其他解決方案相比,節(jié)省了板卡空間,降低了設(shè)計難度,同時始終確保了系統(tǒng)的自動防故障功能。

圖3:CrosSave的分離式裸片概念。

一方面,交叉耦合采用冗余性實現(xiàn)自動防故障功能。冗余系統(tǒng)對于共因故障(CCF)的保護較差。另一方面,CrosSave采用多樣性策略,對于CCF保護較佳,但有較高的耦合系數(shù)。

總之,這兩種解決方案與單片系統(tǒng)相比,能夠提供更加安全的性能。

泄漏檢測

為了確保只在規(guī)定條件下發(fā)生燃爆,必須進行泄漏檢查。泄漏測量可防止打開一個開關(guān)進行測試時(參見4.5節(jié))發(fā)生燃爆情況。由于燃爆管通常位于汽車的前端或側(cè)部,而RCU位于中控臺下,因此需要較長的線束,這很有可能成為泄漏源。

泄漏通常在燃爆管的饋入路徑和返回路徑進行測試,并在這些位置和接地端及電池端存在泄漏時實現(xiàn)檢測。

啟動軟硬件進行觸發(fā)

防止意外觸發(fā)的特性要求獲得多個外部軟件指令以及多條硬件線路必須處于預(yù)定義狀態(tài),方可進行觸發(fā)。

MCU必須采用兩個不同的SPI指令獨立打開兩個開關(guān)(高側(cè)開關(guān)和低側(cè)開關(guān))。因此,即使出現(xiàn)通信故障和SPI指令被錯譯為燃爆指令,仍然需要獲得第二個指令,才能成功燃爆。

對于英飛凌的TLE77xx燃爆系列IC而言,利用以前的額外指令UNLOCK即可進行燃爆。否則,開關(guān)將被打開,電流限值將設(shè)定為約40mA(診斷電流限值),這不足以點燃燃爆管。

如上文所述,硬件線路也必須達到預(yù)定義的電壓,才能進行燃爆。不同廠商的產(chǎn)品的這種特性有所不同。TLE77xx燃爆IC系列具備四條硬件線路:HSENQ、LSEN、FLENH 和FLENL。通常前兩條與MCU連接,另外兩條與備用安全引擎(即8位微控制器)連接。

HSENQ和LSEN即使在診斷電流限值條件下運行,也能打開高側(cè)開關(guān)和低側(cè)開關(guān)。這些線路必須與MCU連接,目的是進行下文所述的開關(guān)測試。

另一方面,FLENH和FLENL也能促使燃爆電流(... )流經(jīng)高側(cè)開關(guān)和低側(cè)開關(guān)。因此,只有MCU和安全引擎一致認(rèn)為發(fā)生碰撞事故時,才能從儲能器中獲得燃爆電流觸發(fā)安全氣囊。

電阻測量

燃爆管在整個使用周期內(nèi)可能會發(fā)生老化,導(dǎo)致在發(fā)生碰撞事故條件下無法完成觸發(fā),因此需要定期測量電阻,確保燃爆管處于正常的工作狀態(tài)。如果電阻值超出安全范圍,燃爆管關(guān)閉,報警燈點亮,向司機發(fā)出警報,直至汽車修理完畢。電阻是利用小電流(診斷電流)進行測量的。

通常利用燃爆IC的模擬輸出端口獲得電阻值。

開關(guān)測試

當(dāng)然,為了確保正確完成觸發(fā),燃爆IC必須對開關(guān)進行自檢。這些開關(guān)能夠防止意外觸發(fā)(可能發(fā)生),但另一方面,當(dāng)發(fā)生碰撞事故時需要同時啟動這兩個開關(guān)(高側(cè)開關(guān)和低側(cè)開關(guān))才能完成觸發(fā)。如果其中一個發(fā)生故障,RCU就無法執(zhí)行其中的一種功能。

開關(guān)測試方法與泄漏測量類似。由于打開高側(cè)開關(guān)會出現(xiàn)流向電池的泄漏電流,打開低側(cè)開關(guān)會出現(xiàn)流向接地線的泄漏電流,因此,應(yīng)先進行泄漏測量,然后再打開其中一個開關(guān)。

按照4.3節(jié)所述操作,不僅需要軟件指令,而且需要從MCU側(cè)將硬件輸入線路設(shè)為合適的值。

高側(cè)供電測試(HSS)

對于采用高側(cè)開關(guān)的系統(tǒng),通常需要生成高壓以驅(qū)動MOSFET柵極。TLE77xx燃爆IC系列的高壓由儲能器提供,如果儲能器的電壓過低,高壓就由外部電容器(高側(cè)供電電容器CHSS)提供。

這些IC能夠監(jiān)控外部電容器的狀態(tài),防止在必要時因電容器故障無法完成觸發(fā)。

要完成該測試需要利用TLE77xx燃爆IC系列的電流源從高側(cè)供電電容器獲得電流。由于該電流是恒定的,只需在固定的間隔時間內(nèi)兩次測量電壓,即可得出電容值。因此當(dāng)電容器過度老化時,需要向駕駛員發(fā)出警報,提醒更換電容器。

板載電壓測量

最后,IC通常還具備測量電路板上所有電壓的特性。低壓預(yù)示著出現(xiàn)故障(MCU和其他IC無法正常運行,無法完成觸發(fā)等)。為了避免出現(xiàn)這些故障,RCU采用的多數(shù)觸發(fā)IC都能測量外部電壓,包括VCC5、VBOOST和VBAT,甚至能夠測量IC的內(nèi)部電壓,檢測可能存在的故障。

測量結(jié)果通常利用IC模擬端口和MCU模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行輸出。

本文小結(jié)

本文探討了安全氣囊系統(tǒng)的相關(guān)安全問題。通過介紹安全系統(tǒng)在故障條件下如何避免造成人員傷亡來說明系統(tǒng)的安全特性。所有這些特性都會使安全氣囊系統(tǒng)變得更加安全,同時保護車內(nèi)人員在車禍中免受致命傷害。

作者:Jesus Ruiz-Sevillano,

安全氣囊功率IC應(yīng)用工程師

 Nicholas Tan Hock Soon,

汽車安全系統(tǒng)市場營銷工程師

 Jean-Philippe Boeschlin

汽車功率產(chǎn)品應(yīng)用工程師

英飛凌科技有限公司