【導讀】現代汽車在座椅上采用了一系列高科技技術，如座椅的多方向多角度調節控制、加熱、乘客感知或安全帶預緊器，按摩等。所有這些應用都需要小空間和高能效的電子機械系統。汽車座椅是座艙舒適性和安全性的重要組成部分。座椅與駕駛員、乘客直接接觸，在用戶體驗上扮演著舉足輕重的作用，也是區分汽車制造商的因素之一。
本文將深入描述以下幾方面內容：
● 座椅的主要控制功能
● 電動座椅的結構
● 客戶的系統級需求，以及英飛凌的芯片產品組合系列如何滿足這些需求
● 英飛凌座椅控制解決方案及應用案例
座椅控制功能簡介
汽車座椅控制包括多個不同功能：
● 座椅調節或座椅移動，例如可設定位置、高度、長度、角度、靠背角度，以及頭枕位置和角度等
● 座椅舒適性，例如動態靠墊、腰靠、 腰托、按摩、加熱、制冷或通風、頸部加熱系統、方便快捷進出功能，如：就坐輔助等，以及個性化調節記憶功能等
● 座椅安全功能，如屬于車輛安全系統的安全帶預緊器
● 座椅乘員感知，座椅內置多個傳感器，可為系統提供反饋信息，提高安全性和可靠性
本文將重點講述座椅位置和座椅溫度控制，將涉及到多電機應用，如電動座椅（其中包括記憶座椅），及常見于乘用車第二和第三排的電動折疊座椅等，也會涉及到通過獨立ECU或與其他座椅調節控制模塊集成在一起的加熱、冷卻和通風控制。
電動座椅結構
觀察汽車座椅面套與骨架之間，以及發泡件內部可以發現，座椅中填滿了不同的元器件，如接線束、ECU、電機、傳感器、加熱和制冷元器件、風扇、安全氣囊、氣袋等。
車廠極為關心如何節省空間，以及采用更薄的座椅以確保擁有更大座艙空間系統解決方案。
傳統繼電器方案不僅增加了電控單元的外殼高度，同時其“咔嗒”聲也給安靜的座艙環境帶來噪音。因此，一些OEM廠商準備為自家座椅ECU配備靜音開關功能。此外，繼電器也無法支持座椅移動時的平緩啟動和停止功能，這需要通過脈寬調制（PWM）來實現對電機電流源快速開啟/關閉，以產生較低的平均電流，從而以低于全速的速度移動座椅來實現。
通過使用半導體解決方案，不僅提供了靜音開關功能和平緩啟停功能，同時也降低了占用座椅內部的空間高度。
此外，從電控單元層面來看，相比于繼電器方案，半導體方案更加節省成本。
今天，電動座椅的調節模塊在全球的裝配率約為46%，且在以約2.5%的年均速度增長；但是，不同地區的電動座椅模塊和半導體裝配率存在較大差異。北美地區在座椅電動調節和氣候控制上處于領先地位：大型OEM廠商在近75%的汽車中裝配了座椅氣候控制；而在該地區銷售的汽車，有一半以上采用了電動座椅。
電動座椅模塊已開使從繼電器方案向半導體解決方案轉變，有些OEM廠商已經使用半導體解決方案超過10年。
通風座椅是指，利用風扇，通過座椅表面的通風孔吹/吸環境空氣。
主動冷卻座椅則需要額外手段來降低空氣溫度，這通常涉及到“珀爾帖”元件，也稱“熱電器件”（TED）。當電流流動時，“珀爾帖”元件根據直流電流流動方向在兩側之間產生溫差。
通風座椅由類似于直流電機的H橋結構驅動。但主動冷卻座椅的驅動方式是非對稱型的，因為TED需要一個方向的電流大于另一方向。
氣候控制座椅使得汽車廠商能夠減少碳排放和節省燃油。例如，座椅冷卻可減少乘員的空調使用。
客戶對電動座椅的系統級需求，以及電動座椅ECU設計要點
現在，我們來看看電動座椅ECU設計人員最關注的一些問題。
首先，設計的解決方案必須能夠減小尺寸和降低成本。這是隨著座椅模塊功能日益增多，且占有率不斷上升而面臨的一個特殊挑戰。
ECU通常位于空間非常寶貴的座椅下方，半導體解決方案可以實現更薄、更小的ECU，進而實現更薄的座椅。相比繼電器，這些方案可以創造更大的座艙空間，并節省成本。
對于電動汽車，設計人員尤其需要注意減小關斷待機電流和延長電池壽命。此時，即便是在熄火的情況下，也能使用座椅調節功能，因此ECU必須滿足低靜態電流和快速喚醒需求。
在汽車市場上，因為喪失舒適性必會招致用戶的投訴，因此高可靠性和魯棒性是設計人員始終所追求的。勿將駕駛者安置在不舒服的位置，譬如距方向盤太遠或太近。而且，最重要的是，乘員不應受到任何形式的傷害，譬如座椅加熱溫度過高。
設計人員所面臨的另一重要痛點是，在不影響功耗的情況下通過EMC試驗。這對于利用PWM（脈寬調制）進行速度控制的電機控制應用（如座椅移動的平緩啟/停）尤其如此。
使用半導體方案的另一個優勢是，能以最小的設計工作量和成本實現多個配置等級。汽車配置等級不同，記憶座椅模塊也各有差異，可能包含一些額外的功能，也可能不包含。為了支持軟件的重復利用，設計人員需要具有可擴展的解決方案。
電動座椅解決方案推薦及應用案例
英飛凌的產品組合解決了所有這些挑戰，助力實現了智能、安全和經濟高效的半導體電動座椅解決方案。英飛凌電動座椅模塊包括下列三個部分：
● 實現座椅位置調節的雙向電機控制
● 氣候控制功能，其中包括加熱元件和通風風扇，有時還包括用于冷卻和加熱的熱電器件
● ECU核心功能模塊，其中包括微控制器、電源和通信元件
英飛凌擁有不同集成度和可擴展的完整芯片解決方案。
對于包括電動折疊功能的座椅位置控制，根據座椅的功能和規格不同，這些有刷直流電機電流等級可從5-20 A不等。
主副駕座椅的常見配置是，每個座椅配置四臺電機來控制
● 靠背角度
● 座椅高度
● 座椅底座的傾斜度
● 整個座椅的前向和后向移動
對于電動折疊座椅，通常由兩個較大電機來降低和升高座椅靠背。
英飛凌MOTIX?柵極驅動器與OptiMOS? MOSFET組合可解決這些多電機應用的設計挑戰。
英飛凌集成式MOTIX? TLE92104/108柵極驅動器IC的使用可減少外部元件的使用，并節省電路板空間，從而縮小尺寸和降低成本。這些元器件集成了4個或8個半橋驅動器，并擁有出色的靜態電流表現。
使用內部集成的電流源可實現寬范圍的診斷功能從而幫助設計者減少眾多外部器件的使用。此外，它集成了電流檢測運算放大器，其輸出既可供內部使用，也可提供給微控制器。如此，柵極驅動器可助力實現超越行業硬短路檢測功能標準的高可靠性和魯棒性性。
例如，兩款IC還具有可配置的短路檢測保護功能，通過直接關斷處于短路狀況的MOSFET，可以減少控制器的負荷，從而減少軟件工作量以及檢測和反應所需的時間。更短反應時間使得可以使用低功率MOSFET，節省器件成本和電路板空間。
在不影響功耗的情況下通過EMC試驗是個重大挑戰。對此，英飛凌提供獲得專利的自適應MOSFET控制技術可提供多級、可編程的柵極驅動電流，從而允許通過軟件優化EMC性能而不影響功耗。該多級擺率控制技術可通過SPI通訊實現EMC優化，可以獨立調整死區時間及導通和關斷延時從而實現擺率調節。
而且，外部MOSFET開關時間的板上測量和自適應允許：
● 平衡功耗與EMC性能
● 調整MOSFET的批件偏差
● 避免需要進行下線校準
最后，這些柵極驅動器的另一優勢是，能以最小的設計工作量和解決方案成本實現多個配置等級。
MOTIX? TLE92104和TLE92108分別集成了4個和8個半橋驅動器，但擁有相同的封裝、引腳分配，使得無需改變電路板，以最小的工作量即可實現可擴展的設計。
與座椅位置控制有關的另一產品是采用SSO8封裝的全新集成半橋MOSFET。若想節省空間，只考慮封裝尺寸并不夠，還需考慮布局需求。
在電動座椅模塊等電機驅動應用中，TLE92104和108柵極驅動器與外部MOSFET的組合可實現緊湊的設計。該方案優于繼電器或智能高邊和低邊開關。雖然雙MOSFET很常見，但它們不適合用于電機驅動半橋和H橋配置所需的電路板布局。
除英飛凌柵極驅動器所具有的優勢，全新OptiMOS?6可在內部被配置為半橋，從而避免在電路板上布線，并降低雜散電感。因此，除了減少電路板上的走線，這些MOSFET還能通過避免由較長電路板走線中的雜散電感導致的電壓尖峰，來省去外部EMC濾波器。
除了新的半橋配置MOSFET，英飛凌還提供許多其他封裝選擇，包括備受歡迎的微型S3O8單MOSFET以及標準配置SSO8雙MOSFET。
在氣候控制方面，先進的加熱和制冷座椅含有熱電器件。這些器件由H橋配置驅動，根據電流流動方向實現加熱或冷卻功能。結合了英飛凌MOSFET的MOTIX? TLE92108或TLE92104是理想的解決方案。
更簡單的設計可以使用由智能高邊開關驅動的電阻式加熱元件和風扇。
座椅加熱器一般由5A阻性負載組成，通常每個座椅包含兩個負載：一個用于加熱坐墊表層，一個用于加熱座椅靠背。這些加熱元件可被單獨驅動，也可作為一個10A負載被同時驅動。溫度可通過慢速PWM（頻率范圍：10Hz以下）來調節。
目前正在出現的一個趨勢是，通過增加低邊開關增強安全性，這是為了確保在高邊電池發生短路時能夠關閉加熱元件。
通風風扇通常使用1.5-2A的單向有刷直流電機。它們也由智能高邊開關（如英飛凌的PROFET?+2 12V系列器件）驅動。
英飛凌可擴展的、面向12V應用的PROFET?+2系列智能高邊開關，包括同時能夠驅動座椅加熱器和通風風扇的器件。它們具有出色的靜態電流表現及先進的診斷和保護功能。
PROFET?器件在驅動座椅加熱元件和許多其它負荷方面具有很多成功案例。PROFET?+2 BTS7系列是PROFET?器件家族的最新成員，采用引腳兼容型封裝， 導通電阻從1.2-200 mΩ不等。
以電動汽車為例：每一毫安電流對于延長續航里程都是寶貴的。隨著越來越多功能被加入到ECU中，需要的智能開關也越來越多，這使得總工作電流更為關鍵。在這種情況下，PROFET?+2 12 V系列在睡眠模式和工作期間都擁有出色的能源效率以及更低的電流消耗。
除了負載驅動器，英飛凌的芯片產品組合還包括支持ECU核心功能的解決方案：微控制器、電源、通信、傳感器、以及電池反接保護。
首先來看微控制器，TRAVEO? T2G系列32位基于ARM?內核的微控制器，在性能、封裝、內存、外設、和安全方面都具有可擴展性。
TRAVEO? T2G系列從512千字節擴展到8兆字節閃存，并使用ARM? Cortex?-M4和M7內核。
然而，最適合典型座椅模塊的是使用ARM? Cortex?-M4內核，擁有1兆和2兆字節閃存的器件。TRAVEO? T2G降低了關斷待機電流，延長了電池壽命，且在有源模式下擁有超低功耗。而且，它還擁有從睡眠模式到休眠模式等的五種電源模式。
而且，雖然如今的座椅模塊通常達到了ASIL中“QM”的要求，但汽車行業已有向更高ASIL等級邁進的趨勢。對此，TRAVEO? T2G系列擁有能夠達到ISO 26262 ASIL-B等級的功能安全概念。它還提供完整的硬件和軟件功能安全解決方案，并擁有硬件安全手冊、FMEDA和安全文檔及軟件產品支持。
接下來，在座椅控制器核心功能中，我們來看看電源和通信功能。
由于座椅模塊設計人員正在尋求更小型的集成化解決方案，他們通常偏向于使用系統基礎芯片（SBC）。SBC不僅集成了電源和通信功能，還集成了非板載傳感器電源和喚醒輸入等額外的系統支持功能。
對于座椅模塊，Lite SBC和Mid-Range+ SBC都能滿足典型的電源和通信需求。通過利用開關輸入和CAN信息，在睡眠模式下，甚至在啟用喚醒功能時，它們都具有出色的靜態電流表現。
在電源方面，這些SBC與座椅應用中使用的典型微控制器非常匹配。Mid-Range+ SBC在該領域尤為成功。
對于3.3 V微控制器，如果需要，可提供支持3.3 V VCC1的型號。要想得知具體是哪些產品型號，只需查看產品名稱，最后是“V33”的即為這些型號。
除了這些集成SBC，對于需要分立器件解決方案的客戶，英飛凌的OPTIREG?系列還包含全系列的低壓差穩壓器，以及獨立的CAN和LIN收發器。
接下來，我們來看看許多座椅模塊設計中使用的Mid-Range+ SBC功能。
電動座椅模塊通常通過CAN與BCM通信。但也可利用LIN：
● 與從模塊通信（在這里，駕駛員座椅模塊充當與乘員座椅模塊通信的主模塊），或者
● 與安裝在座椅側面的開關面板通信
為了支持不同的LIN，Mid-Range+系列擁有帶0、1或2個LIN收發器的型號。除了可靠性、魯棒性和易用性之外，Mid-Range SBC和Lite SBC還有一個重要功能是“limp home”（跛行模式）輸出。該“limp home”（跛行模式）功能的典型應用是啟用安全狀態。當微控制器出故障時，它能確保車輛不出現預期之外的操作。
SBC集成有受保護的可配置開關，可用于LED、蜂鳴器和傳感器電源等。它還包括喚醒輸入。
高集成度的Mid-Range+ SBC降低了系統和BOM成本，減少了元件布局、開發工作量和電路板尺寸。
除了集成電源和通信，電機系統還可實現更多的集成功能，即結合Mid-Range+系統基礎芯片與2個或4個半橋驅動器的關鍵特性。
半橋驅動器IC MOTIX? 104和108集成了柵極驅動器的許多重要功能，包括自適應MOSFET控制。自適應MOSFET控制技術可提供多級、可編程的柵極驅動電流，從而允許通過軟件優化EMC性能而不影響功耗。
即便與同類最佳的SBC和MOTIX?多MOSFET驅動器IC相比，電機系統IC憑借其獨一無二的更高集成度，仍然具有最低水平的靜態電流。該電機系統IC系列還支持靈活設計，可擴展多個功能。
回到可靠性和魯棒性，必須提到的是，MOTIX?柵極驅動器、Lite SBC和電機系統IC都含有一個外部電荷泵，使得它們更容易實現電池反接保護或安全開關。
對于電池反接保護和安全開關，我們建議選擇英飛凌車規級MOSFET和采用SSO8封裝的OptiMOS? 6 40 V系列。
不要忘記，在座椅應用中還會用到傳感器。
追蹤座椅位置非常重要。雖然許多設計人員在尋求無傳感器控制方案，但如今的大多數設計都使用霍爾傳感器來幫助追蹤座椅位置。
但是，這些傳感器并非安裝在座椅控制ECU中，而是安裝在座椅骨架內。因此，它們和座椅控制ECU可能不是來自同一家廠商，更可能是由座椅制造商自行指定和采購的。有時候，座椅制造商和座椅供應商都屬于同一家公司，只是屬于不同的事業部。但最常見的業務模式為，座椅及座椅控制ECU由OEM分開采購。
總結
最后，英飛凌解決方案在智能電動座椅應用的優勢為：
● 尺寸減小，成本降低
● 關斷待機電流減小，延長了電池壽命
● 高可靠性和魯棒性
● 不影響功耗的情況下可以通過EMC測試
● 以最小的設計工作量支持實現多個配置等級
英飛凌擁有包括微控制器、柵極驅動器、MOSFET、智能開關、電源和通信器件在內的完整解決方案以及配套的全系列半導體產品組合系列，是設計該解決方案的理想合作伙伴。
作者：張獻輝 蔡震華 來源：英飛凌
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