优化车门ECU功耗的新概念
2008-02-01
作者：Armin Winter，Han
在现代汽车中，电子控制单元（ECU）的数量不断增长。现代电子零部件增加了许多功能可为驾驶员提供更多的信息和更舒适的环境，在极大地增强发动机经济效率的同时，也使汽车中的电子功耗更高。这个问题在汽车熄火时会比汽车正常工作时显得更加严重。当汽车熄火时，只有汽车蓄电池为ECU供电。为了最大" title="最大">最大限度地保持蓄电池的使用寿命，需要具有在汽车等待模式时段节约电力的措施。本文介绍了通常需要持续供电的车门模块" title="车门模块">车门模块功耗的优化策略。
在现代汽车中有多达70个ECU，从大的发动机管理设备到微小的雨刷传感器（Rain Sensor）控制设备。当汽车处于非工作模式时，并不是所有的电子零部件都需要供电。但在汽车熄火或汽车落锁期间，仍有许多模块需要供电。例如，必须处理来自汽车钥匙信号的车身中央控制器（BCU）或者必须反应BCU指令以控制车门锁的车门模块。
由于汽车空蓄电池在使用一段时间后会出现严重问题，所以大部分汽车原始设备制造商（OEM）将解决方法转为对每个ECU运行的等待电流消耗" title="电流消耗">电流消耗的要求。他们规定每个ECU的平均等待电流消耗小于300μA，其中许多原始设备制造商甚至还将这种电流消耗要求在100μA以下。这种电流预算必须根据不同ECU元件进行区分。例如，车门模块的主要元件是MCU和系统基础芯片，包括电压调节器、通信总线的物理接口和看门狗，其任务是随时找到不同设备之间的最佳功率分配。
根据车门模块的功能不同，优化任务的解决方案也有所不同。通常，车门模块控制车窗升降、电子后视镜、车门锁和驾驶员发出指令的键区。此外，它还处理BCU的通信，并在很多情况下将信息传递给后车门模块。当汽车熄火时，车门模块仍然必须接收键区输入的指令，处理来自BCU的数据，使其通过CAN或LIN总线传输。为了管理这些任务，它必须定期进入工作模式，以便读取键区的状态、触发看门狗。根据结果，整个ECU必须进入全工作模式或返回电流节约模式。
图1详细地说明了所有阶段的不同电流。平均系统电流消耗IAverage是由循环时间Tsum、系统在工作模式中运行的时间长短以及电流IRun和IStop各自的数值决定的。总之，车门模块有两种最大限度降低IAverage的主要方法。
方法1：关闭MCU电源。在这种情况下，系统基础芯片处理循环唤醒。它将打开MCU电源，让MCU检查上述任务，并让MCU决定返回这种状态或者停留在完全工作模式中。这种方法的优点是当SBC消耗睡眠电流时，MCU的电源已经完全关闭。弱点就是MCU必须定期唤醒，包括非常费电的振荡器的启动。而且，振动器在启动阶段对晶振" title="晶振">晶振的压力特别大，会影响其使用寿命。
方法2：低功耗模式中的MCU。在该方法中，MCU进入低功耗模式，但需要一直供电。MCU定期唤醒，执行必要任务并相应做出反应。这种方法的弱点就是SBC和MCU仍然需要一直供电。其优点是可以更快速地唤醒MCU，并根据MCU的功能，完全消除唤醒阶段所用的时间。
除了降低电流IRun和IStop数值外，更重要的是最大程度地减少MCU在全工作模式中运行的时间TRun。该参数的主要组成部分是振荡器启动时间Tos和稳定性检查时间Tosc。飞思卡尔S12X系列是专为停止模式之后的快速启动设计的，其独特功能" title="独特功能">独特功能是几乎可将Tosc和Tosc降低为零（实际约为50μs）。当其他MCU必须使用外部晶振低频率振荡器来引发定期中断时，S12X可以使用内置RC振荡器来引发API（自动定期中断）。使用S12X快速唤醒功能，可从内部PLL振荡器启动S12X，无需花费数毫秒时间来启动基于外部晶振的振荡器时钟。因此，采用S12X的独特功能，几乎消除了MCU需要全工作电流期间的启动时间。使用这种方法，平均等待电流也大大降低。
为了证明采用这种方法能够节约电源，对现实生活中的实例进行了评估。图2显示了普通系统基础芯片（SBC）系统电流和S12X 车门系统电流在不同唤醒方法和图1中显示的时间参数：
方法1：SBC定期唤醒MCU，MCU在Tstop期间不需要供电。
方法2(a)：MCU需要持续供电，快速唤醒启动。在这种情况下，MCU采用内部PLL振荡器启动。
方法2(b)：MCU需要持续供电，但快速唤醒关闭。在这种情况下，MCU采用晶体振荡器启动。
可以很清晰地看到，方法2(b)的设置无论如何都需要最大电流，因此对于车门模式来说，它不是最好的解决方案。方法2(a)为Tsum提供了小于180ms的最低电流消耗。只要Tsum不大于180ms，关闭MCU电源执行SBC定期唤醒的方法1将是最大程度降低功耗的最佳选择。
对于车门模块来说，MCU必须检查状态变化的时间Tsum(通常为20ms～60ms)，这也取决于实施情况。采用S12X的独特API和快速唤醒功能，可以达到最小平均系统电流和电源节约最佳值，这不需要增加任何外部组件及降低性能或增加成本。因此，飞思卡尔S12X系列提供了将等待电流降至最小值的独特功能。当功耗成为汽车原始设备制造商的一种选择标准时，S12X系列就为消费者提供了无需增加费用就能在这个非常重要的方面（功耗）区分原始设备制造商的机会，并大大提高了原始设备制造商在上述应用领域赢得商机的机会。
发动机关闭时的低电流消耗是持续供电的汽车ECU对原始设备制造商的重要要求。例如，车门模块制造商正面临着平均等待电源使用越来越苛刻的要求。本文说明了如何通过最大程度地降低电流功耗和MCU的唤醒时间来优化平均系统电流的方法。S12X内部RC-振荡器可用于自动定期中断的计时，以便循环唤醒MCU。RC-振荡器的功能与S12X快速唤醒功能一起使用，可为用户提供保持车门模块应用最小功耗的最有效方法。