發布日期：2022-07-14 點擊率：84
安全氣囊在汽車輔助約束系統(SRS)中發揮著至關重要的作用。目前,乘用車安裝安全氣囊已經成為一種標準。大家都知道在汽車發生碰撞時,安全氣囊和安全帶可降低車內人員頭部和上身撞擊車內部件的幾率。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險。但是現在,許多人已經認識到能給人帶來安全的輔助約束系統也有可能會危及車內人員的生命安全。因此,在開發安全系統時,必須全面考慮系統的各種特性,以確保達到所需的安全水平。為了解決這方面的問題,英飛凌開發出了具有豐富特性的氣囊觸發芯片,可幫助系統實現自動故障防護功能。
簡介
亞洲的汽車安全氣囊系統市場預計將繼續增長,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實施的新安全法規。目前,韓國的乘用車已經100%裝配正面安全氣囊,頭部安全氣囊的增幅預計到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%,因此我們預計該領域將會迎來迅猛增長。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注,因此我們預計今后四年,側面和頭部安全氣囊也將不斷增長。
目前,隨著歐美新法規的實施,安全氣囊系統預計將變得更加完善。原始設備制造商將面臨著價格壓力,需要應對平衡成本、創新與可靠性的挑戰。相關研究顯示,目前平均售價為105美元的正面安全氣囊預計4年之后成本將降低15%。業內認為可靠應用是汽車安全氣囊系統最重要的問題,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,現代汽車呈現出為駕駛員和乘客提供越來越高的安全性和舒適性的態勢。
在提高汽車安全性和舒適性方面,電子技術與其他化學技術和機械技術發揮了重要作用。如今GPS系統、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,安全系統開始發揮作用。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。今后,由于道路還遠不能達到百分之百安全,因此該市場有望持續增長。
原來的安全系統采用分立式組件提供所需功能,但近些年來,所有系統都采用了集成方式。目前多數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成。本文涵蓋RCU的燃爆電路部分。下文將探討安全氣囊系統的安全性和應用IC的相關安全特性。
氣囊安全性
開發安全系統時必須全面考慮系統的各種特性,以確保達到所需的安全水平。從系統的角度出發,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；2. 防止意外觸發。
上述兩種特性都必須遵照相關標準(即IEC 61508)的具體要求,確保達到相應的安全水平。
安全系統的相關安全標準提出了“自動防故障”理念。當安全系統出現故障時,其設計應該確保故障不會損壞相鄰的系統或對人員造成傷害。
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。當安全系統檢測到意外事故時,如果因為某種故障無法完成氣囊的觸發,就會造成人員傷亡,盡管如此絕大多數車主仍希望永遠無需觸發安全氣囊。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束,隨時都可能發生安全氣囊意外觸發。如果出現這種情況會對相關人員造成傷害(工廠工人、汽車駕駛員或修車廠技工)。
綜合考慮,應當盡可能確保在發生意外事故時實現安全氣囊的正確觸發,同時也必須努力防止安全氣囊的意外觸發。
為了使大家能夠更好地了解安全氣囊系統以及如何實現故障防護功能,有必要介紹一下整個系統的運行原理(參見圖2)。
通常情況下,汽車衛星傳感器接口獲取外部傳感器(加速度或壓力傳感器)發送的數據并對其進行分析。這些傳感器依據功能或所屬類型(前端碰撞加速度傳感器、側面碰撞壓力傳感器或側面碰撞加速度傳感器)的不同而分布于汽車的前端、車門內或B柱上。如果出現碰撞事故,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生了碰撞事故。這時主微控制器必須依據該傳感器的數據、板載傳感器的數據、座椅的位置和其他參數,決定是否觸發安全氣囊。
如果決定觸發安全氣囊,主微控制器就會向燃爆接口發送指令。與此同時,備用系統(通常為備用8位微控制器)也必須依據更基礎的數據(即僅板載傳感器數據)做出決定,讓指定硬件線路允許燃爆IC觸發氣囊。
觸發是使電流流過燃爆管(通常在至之間)實現的。燃爆管在此用作電阻僅為幾歐姆的電阻器,因此要想節省能量必須控制電流。如果電流流經燃爆管達到一定時間(通常至2ms),安全氣囊就將完成觸發。
從生成傳感器信息、發送傳感器信息、分析所有參數、做出決策、將決策傳輸至觸發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IC的安全特性
英飛凌現有的觸發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
4. 電阻測量
5. 開關測試
6. 高側供電(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,剩下的用于確保在需要時完成觸發1。下文將論述所有這些特性。
CrosSave
為了在可能出現的“生產故障”(缺陷芯片、ESD損壞等)條件下,實現自動防故障功能,安全氣囊系統需要具備冗余或多樣化特性。每個燃爆管配備兩個開關(參見圖2)。這兩個開關確保電流只有在規定的條件下流入燃爆管。
圖2:氣囊驅動芯片的簡化框圖。
這種特性可通過三種方式實現:采用單片IC集成高側(HS)和低側(LS)開關；采用兩個相同的IC,但通過PCB設計使高側開關和低側開關分離(交叉耦合)；或者采用兩種不同的技術,將兩個不同的芯片集成至一個封裝內(CrosSaveTM)。
采用單片IC時,如果芯片發生故障,就會帶來危險。因為兩個開關都集成在一個裸片上,因而無法實現自動防故障功能。
第二和第三種方式分離了兩個開關,一旦出現故障,只是一個開關會受損,仍能實現自動防故障功能。哪種方式更加安全則需要進一步探討。
CrosSaveTM (參見圖3)具備單一封裝優勢,與其他解決方案相比,節省了板卡空間,降低了設計難度,同時始終確保了系統的自動防故障功能。
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自動防故障功能。冗余系統對于共因故障(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。
總之,這兩種解決方案與單片系統相比,能夠提供更加安全的性能。
泄漏檢測
為了確保只在規定條件下發生燃爆,必須進行泄漏檢查。泄漏測量可防止打開一個開關進行測試時(參見4.5節)發生燃爆情況。由于燃爆管通常位于汽車的前端或側部,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檢測。
啟動軟硬件進行觸發
防止意外觸發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定義狀態,方可進行觸發。
MCU必須采用兩個不同的SPI指令獨立打開兩個開關(高側開關和低側開關)。因此,即使出現通信故障和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,開關將被打開,電流限值將設定為約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定義的電壓,才能進行燃爆。不同廠商的產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,也能打開高側開關和低側開關。這些線路必須與MCU連接,目的是進行下文所述的開關測試。
另一方面,FLENH和FLENL也能促使燃爆電流(... )流經高側開關和低側開關。因此,只有MCU和安全引擎一致認為發生碰撞事故時,才能從儲能器中獲得燃爆電流觸發安全氣囊。
電阻測量
燃爆管在整個使用周期內可能會發生老化,導致在發生碰撞事故條件下無法完成觸發,因此需要定期測量電阻,確保燃爆管處于正常的工作狀態。如果電阻值超出安全范圍,燃爆管關閉,報警燈點亮,向司機發出警報,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。
開關測試
當然,為了確保正確完成觸發,燃爆IC必須對開關進行自檢。這些開關能夠防止意外觸發(可能發生),但另一方面,當發生碰撞事故時需要同時啟動這兩個開關(高側開關和低側開關)才能完成觸發。如果其中一個發生故障,RCU就無法執行其中的一種功能。
開關測試方法與泄漏測量類似。由于打開高側開關會出現流向電池的泄漏電流,打開低側開關會出現流向接地線的泄漏電流,因此,應先進行泄漏測量,然后再打開其中一個開關。
按照4.3節所述操作,不僅需要軟件指令,而且需要從MCU側將硬件輸入線路設為合適的值。
高側供電測試(HSS)
對于采用高側開關的系統,通常需要生成高壓以驅動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(高側供電電容器CHSS)提供。
這些IC能夠監控外部電容器的狀態,防止在必要時因電容器故障無法完成觸發。
要完成該測試需要利用TLE77xx燃爆IC系列的電流源從高側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兩次測量電壓,即可得出電容值。因此當電容器過度老化時,需要向駕駛員發出警報,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。低壓預示著出現故障(MCU和其他IC無法正常運行,無法完成觸發等)。為了避免出現這些故障,RCU采用的多數觸發IC都能測量外部電壓,包括VCC5、VBOOST和VBAT,甚至能夠測量IC的內部電壓,檢測可能存在的故障。
測量結果通常利用IC模擬端口和MCU模數轉換器進行輸出。
本文小結
本文探討了安全氣囊系統的相關安全問題。通過介紹安全系統在故障條件下如何避免造成人員傷亡來說明系統的安全特性。所有這些特性都會使安全氣囊系統變得更加安全,同時保護車內人員在車禍中免受致命傷害。
作者:Jesus Ruiz-Sevillano,
安全氣囊功率IC應用工程師
Nicholas Tan Hock Soon,
汽車安全系統市場營銷工程師
Jean-Philippe Boeschlin
汽車功率產品應用工程師
英飛凌科技有限公司
