L9678/L9678 - S：汽車(chē)安全氣囊系統(tǒng)的理想芯片方案

在汽車(chē)安全氣囊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選擇合適的芯片至關(guān)重要。STMicroelectronics推出的L9678和L9678 - S芯片，為入門(mén)級(jí)安全氣囊系統(tǒng)提供了獨(dú)特且強(qiáng)大的解決方案。今天，我們就來(lái)深入探討這兩款芯片的特點(diǎn)、功能以及應(yīng)用。

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一、芯片概述

L9678是一款專(zhuān)門(mén)針對(duì)新興市場(chǎng)應(yīng)用的系統(tǒng)芯片，它可以與SPC560Px微控制器以及板載加速度傳感器或PSI5傳感器配合，完成基礎(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。而L9678 - S與L9678引腳兼容，額外增加了兩個(gè)PSI - 5遠(yuǎn)程傳感器接口通道和一個(gè)專(zhuān)門(mén)為遠(yuǎn)程傳感器供電的穩(wěn)壓器。

主要特性

• 可配置電源管理：芯片包含完整的電源管理系統(tǒng)，提供多種電壓輸出，如3.3V、5V、7.2V等，且用戶可根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行配置，平衡成本和性能。
• 能量?jī)?chǔ)備系統(tǒng)：通過(guò)集成的開(kāi)關(guān)升壓調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)備供電（ERBOOST），采用高頻操作，允許用戶選擇低價(jià)值、低成本的電感，輸出電壓可通過(guò)SPI命令設(shè)置為23V或33V。
• 多通道驅(qū)動(dòng)與接口：具備4通道爆管驅(qū)動(dòng)、2通道HS/LS通用輸出（GPO）驅(qū)動(dòng)、4通道傳感器接口，可連接多種類(lèi)型的傳感器，如霍爾效應(yīng)、電阻或開(kāi)關(guān)傳感器。
• 安全邏輯監(jiān)測(cè)：集成的安全邏輯可監(jiān)測(cè)慣性傳感器數(shù)據(jù)，判斷是否發(fā)生碰撞事件，從而觸發(fā)安全氣囊的部署。
• SPI通信接口：提供豐富的SPI寄存器，用于配置、控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，方便用戶進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置和故障診斷。

二、電源管理

電源供應(yīng)概述

L9678的電源管理系統(tǒng)提供了多種電壓輸出，以滿足不同組件的需求。其中，兩個(gè)3.3V內(nèi)部穩(wěn)壓器分別為內(nèi)部邏輯（CVDD）和模擬電路（VINT3V3）供電；能量?jī)?chǔ)備供應(yīng)（ERBOOST）通過(guò)集成的開(kāi)關(guān)升壓調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)，為系統(tǒng)提供備用能量；VDD5線性穩(wěn)壓器為5V微控制器供電；VDD3V3線性穩(wěn)壓器為3.3V微控制器供電。

電源模式控制

芯片有四種主要電源模式：電源關(guān)閉、睡眠、活動(dòng)和被動(dòng)模式。這些模式的切換由WAKEUP引腳、VBATMON引腳、VIN引腳的狀態(tài)以及SPI接口控制。

• 電源關(guān)閉模式：所有電源供應(yīng)關(guān)閉，系統(tǒng)處于靜態(tài)，電流消耗極低。
• 睡眠模式：VINT3V3和CVDD內(nèi)部穩(wěn)壓器開(kāi)啟，芯片準(zhǔn)備好激活其他電源。
• 活動(dòng)模式：所有電源供應(yīng)開(kāi)啟，能量?jī)?chǔ)備升壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)始工作，系統(tǒng)正常運(yùn)行。
• 被動(dòng)模式：能量?jī)?chǔ)備充電電流禁用，ERBOOST升壓轉(zhuǎn)換器在特定條件下禁用，系統(tǒng)依靠能量?jī)?chǔ)備電容供電。

可配置系統(tǒng)電源控制

• ERBOOST開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器：工作頻率為1.882MHz，可通過(guò)SPI命令設(shè)置輸出電壓為23V或33V，具備過(guò)壓和欠壓診斷功能。
• 能量?jī)?chǔ)備電容充電電路：通過(guò)電流發(fā)生器為連接到VER引腳的能量?jī)?chǔ)備電容充電，充電電流為30mA，可通過(guò)SPI命令控制。
• ER開(kāi)關(guān)和COVRACT引腳：集成的ER開(kāi)關(guān)在進(jìn)入被動(dòng)模式時(shí)自動(dòng)激活，具備熱保護(hù)和電流限制功能；COVRACT引腳用于控制外部可選的交叉開(kāi)關(guān)。
• 線性穩(wěn)壓器：VDD5、VDD3V3、VSUP和VSF線性穩(wěn)壓器分別提供5V、3.3V、7.2V和20V（可配置為25V）的電壓輸出，確保系統(tǒng)各部分的穩(wěn)定供電。

三、SPI接口

SPI接口是L9678的重要組成部分，用于配置、控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。它由輸入移位寄存器、輸出移位寄存器和四個(gè)控制信號(hào)組成，所有SPI通信以32位為單位進(jìn)行。通過(guò)SPI接口，用戶可以訪問(wèn)多個(gè)32位寄存器，實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片各種功能的配置和監(jiān)控。

主要寄存器

• 全局狀態(tài)字（GSW）：包含11位信息，提供全局狀態(tài)信息，如SPI故障、部署成功標(biāo)志、遠(yuǎn)程傳感器接口故障等。
• 故障狀態(tài)寄存器（FLTSR）：報(bào)告芯片的各種故障信息，如ERBOOST過(guò)溫、內(nèi)部振蕩器錯(cuò)誤等。
• 系統(tǒng)配置寄存器（SYS_CFG）：用于配置系統(tǒng)的各種參數(shù)，如自動(dòng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉、ERBOOST行為、診斷時(shí)間等。
• 系統(tǒng)控制寄存器（SYS_CTL）：控制電源管理相關(guān)的參數(shù)，如VIN比較器閾值、ERBOOST電壓選擇等。

四、部署驅(qū)動(dòng)

驅(qū)動(dòng)邏輯

爆管部署模塊由4個(gè)獨(dú)立的高端驅(qū)動(dòng)和4個(gè)獨(dú)立的低端驅(qū)動(dòng)組成。部署邏輯需要通過(guò)SPI通信接收部署命令，并結(jié)合安全邏輯處理的arming條件或FENH和FENL輸入引腳的評(píng)估結(jié)果，才能觸發(fā)部署。

控制邏輯

• 部署電流選擇：通過(guò)部署配置寄存器（DCRx）為所有通道編程部署電流，不同的電流和時(shí)間組合有相應(yīng)的限制。
• 部署命令過(guò)期定時(shí)器：部署命令在接收到后，在指定的時(shí)間內(nèi)有效，可通過(guò)部署狀態(tài)寄存器（DSRx）讀取部署狀態(tài)和過(guò)期定時(shí)器的值。
• 部署控制流程：成功部署需要滿足多個(gè)條件，包括POR = 1、系統(tǒng)處于安全狀態(tài)或arming狀態(tài)、有效的arming條件以及全局部署狀態(tài)激活等。

保護(hù)機(jī)制

• 延遲低端停用：在部署結(jié)束時(shí)，低端驅(qū)動(dòng)在高端驅(qū)動(dòng)停用后延遲tDEL_SD_LS時(shí)間停用，以控制爆管引腳的電壓尖峰。
• 低端電壓鉗位：通過(guò)鉗位結(jié)構(gòu)保護(hù)低端驅(qū)動(dòng)免受SRx引腳的過(guò)壓影響。
• 短路保護(hù)：低端驅(qū)動(dòng)具備電流限制和過(guò)流保護(hù)電路，在短路情況下限制短路電流，并在特定條件下關(guān)閉高低端驅(qū)動(dòng)。
• 間歇性開(kāi)路爆管保護(hù)：在部署過(guò)程中，若出現(xiàn)間歇性開(kāi)路負(fù)載，驅(qū)動(dòng)可通過(guò)特定機(jī)制限制電流，防止損壞。

診斷功能

L9678為所有部署通道提供多種診斷反饋，包括高壓泄漏測(cè)試、短路診斷、爆管電阻測(cè)量等。這些診斷結(jié)果通過(guò)10位模數(shù)算法轉(zhuǎn)換器處理，可采用高電平或低電平兩種診斷方法。

五、遠(yuǎn)程傳感器接口

L9678 - S包含2個(gè)遠(yuǎn)程傳感器接口，支持PSI - 5協(xié)議。該接口由電源接口、解碼器和錯(cuò)誤檢測(cè)電路組成，可將傳感器的電流狀態(tài)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，并通過(guò)遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)寄存器（RSDRx）輸出。

PSI - 5協(xié)議

• 通信特性：所有通道符合PSI - 5 v1.3規(guī)范，采用兩線電流接口、曼徹斯特編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，支持125kbps和189kbps的高速數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)字長(zhǎng)度可變（僅8位和10位），具備1位奇偶校驗(yàn)和異步操作模式。
• 功能描述：每個(gè)通道獨(dú)立工作，不受其他通道故障影響，可獨(dú)立啟用或禁用。通過(guò)集成的電流調(diào)整功能自動(dòng)設(shè)置電流檢測(cè)閾值，適應(yīng)傳感器的靜態(tài)電流消耗。

故障保護(hù)

• 短路保護(hù)：每個(gè)輸出通過(guò)獨(dú)立的電流限制電路進(jìn)行短路保護(hù)，當(dāng)輸出電流超過(guò)ILIMTH且持續(xù)時(shí)間超過(guò)TILIMTH時(shí)，輸出級(jí)禁用。
• 過(guò)壓保護(hù)：所有輸出獨(dú)立保護(hù)，防止短路到電池的情況，當(dāng)輸出RSUx引腳電壓超過(guò)VSUP供應(yīng)引腳電壓且持續(xù)時(shí)間超過(guò)TSTBTH時(shí)，檢測(cè)到短路到電池。
• 其他保護(hù)：還具備交叉鏈接檢查、開(kāi)路檢測(cè)、漏電檢測(cè)和熱關(guān)斷保護(hù)等功能。

六、看門(mén)狗定時(shí)器

L9678提供了一個(gè)臨時(shí)看門(mén)狗定時(shí)器，確保系統(tǒng)軟件正常運(yùn)行。看門(mén)狗窗口時(shí)間可通過(guò)SPI編程，需要在指定時(shí)間窗口內(nèi)寫(xiě)入特定代碼以服務(wù)看門(mén)狗控制。

工作模式

• 快速看門(mén)狗：最大范圍為2ms，分辨率為8μs。
• 慢速看門(mén)狗：最大范圍為16.3ms，分辨率為64μs。

狀態(tài)描述

• WD1_INITIAL：?jiǎn)?dòng)后的默認(rèn)狀態(tài)，無(wú)需看門(mén)狗服務(wù)，所有arming信號(hào)禁用。
• WD1_RUN：正常運(yùn)行狀態(tài)，需要進(jìn)行看門(mén)狗服務(wù)。
• WD1_TEST：用于測(cè)試看門(mén)狗功能的特殊狀態(tài)，部署被禁止。
• WD1_RESET：發(fā)生WD1_ERROR時(shí)進(jìn)入的狀態(tài)，持續(xù)1ms后自動(dòng)退出。
• WD1_OVERRIDE：用于開(kāi)發(fā)目的的特殊狀態(tài)，可禁用看門(mén)狗功能。

七、DC傳感器接口

L9678的DC傳感器接口可與多種類(lèi)型的傳感器連接，如霍爾效應(yīng)、電阻或開(kāi)關(guān)傳感器。測(cè)量范圍包括電阻傳感器的65Ω至3kΩ和霍爾效應(yīng)傳感器的2mA至20mA，在該范圍內(nèi)保證±15%的精度。

接口控制

通過(guò)全局SPI的SWOEN位啟用DCSx引腳的輸出電壓，通過(guò)CHID位選擇要激活的通道。接口激活由用戶通過(guò)SPI命令完全控制，還可配置為在電流或電阻測(cè)量完成后自動(dòng)關(guān)閉。

測(cè)量方法

• 霍爾效應(yīng)傳感器：進(jìn)行單電流測(cè)量，將電流負(fù)載反映到參考電阻上，通過(guò)內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換器測(cè)量電壓降。
• 電阻或開(kāi)關(guān)傳感器：進(jìn)行更復(fù)雜的測(cè)量，先提供電流信息，再提供輸出引腳的電壓信息，通過(guò)處理這兩個(gè)值計(jì)算電阻值。

八、安全邏輯

邏輯概述

集成的安全邏輯通過(guò)解碼SPI通信中的數(shù)據(jù)，使用來(lái)自板載和遠(yuǎn)程位置的傳感器數(shù)據(jù)。它具備多個(gè)可編程特性，能夠處理來(lái)自多達(dá)4個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，采用簡(jiǎn)單的對(duì)稱數(shù)據(jù)閾值比較方法，使用對(duì)稱或非對(duì)稱計(jì)數(shù)器。

數(shù)據(jù)解碼

通過(guò)定義特定的屏蔽功能，從SPI通信中提取目標(biāo)數(shù)據(jù)，并與編程的閾值進(jìn)行比較。每個(gè)安全記錄有獨(dú)立的寄存器，用于設(shè)置請(qǐng)求掩碼、響應(yīng)掩碼、數(shù)據(jù)掩碼、安全閾值等參數(shù)。

狀態(tài)機(jī)操作

安全狀態(tài)機(jī)的操作在安全狀態(tài)機(jī)復(fù)位信號(hào)激活時(shí)禁用，輸出為ARM1INT和ARM2INT。輸入為編程的安全記錄和傳感器數(shù)據(jù)，配置對(duì)所有傳感器通用。

簡(jiǎn)單閾值比較操作

傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口接收并驗(yàn)證后，與兩個(gè)閾值（SAF_TH和 - SAF_TH）進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)果，事件計(jì)數(shù)器進(jìn)行相應(yīng)的增減操作，當(dāng)計(jì)數(shù)器值達(dá)到arming閾值時(shí)，觸發(fā)arming信號(hào)。

九、通用輸出（GPO）驅(qū)動(dòng)

L9678包含兩個(gè)GPO驅(qū)動(dòng)，可配置為高端或低端模式，通過(guò)GPO控制寄存器（GPOCTRLx）設(shè)置占空比。驅(qū)動(dòng)在激活前需要通過(guò)GPO配置寄存器（GPOCR）進(jìn)行硬件配置，僅在Init和Diag狀態(tài)下允許配置。

保護(hù)機(jī)制

• 短路保護(hù)：驅(qū)動(dòng)具備短路保護(hù)功能，輸出驅(qū)動(dòng)包含診斷信息，可在GPO故障狀態(tài)寄存器（GPOFLTSR）中查看。
• 熱過(guò)載保護(hù)：熱過(guò)載故障在溫度超過(guò)熱故障條件時(shí)保持激活，即使讀取GPOFLTSR寄存器也不會(huì)清除。
• 開(kāi)路負(fù)載診斷：在ON狀態(tài)下進(jìn)行開(kāi)路負(fù)載診斷，通過(guò)比較輸出電流與參考閾值判斷是否存在開(kāi)路。

十、ISO9141收發(fā)器

ISO9141收發(fā)器用于與主微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)通過(guò)ISOTX引腳發(fā)送，通過(guò)ISORX引腳接收，總線輸出為ISOK。

工作原理

當(dāng)ISOTX引腳為高電平時(shí)，ISOK輸出禁用；當(dāng)ISOTX引腳為低電平時(shí)，ISOK輸出啟用。ISORX引腳的輸出根據(jù)ISOK引腳的電壓與輸入接收器閾值的比較結(jié)果進(jìn)行高低電平切換。

保護(hù)與診斷

輸出級(jí)具備短路保護(hù)功能，診斷提供電流限制和熱關(guān)斷反饋。在電流限制時(shí)，輸出級(jí)繼續(xù)工作，直到達(dá)到熱限制，此時(shí)輸出級(jí)關(guān)閉，故障狀態(tài)在ISO9141故障狀態(tài)寄存器（ISOFLTSR）中報(bào)告。

十一、系統(tǒng)電壓診斷

L9678的系統(tǒng)電壓診斷電路通過(guò)內(nèi)部模擬多路復(fù)用器處理多個(gè)輸入，并通過(guò)SPI數(shù)字接口提供診斷反饋。通過(guò)四個(gè)SPI診斷控制命令（DIAGCTRLx）激活診斷電路，可測(cè)量多個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓。

診斷控制

DIAGCTRLx命令的ADCREQ[A - D]位字段用于選擇不同的測(cè)量項(xiàng)目，如DC傳感器電壓、電流、電阻，爆管電阻，電池電壓等。診斷結(jié)果存儲(chǔ)在ADCRESx寄存器中。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器

芯片集成了10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，運(yùn)行頻率為16MHz。ADC輸出經(jīng)過(guò)D到D轉(zhuǎn)換器處理，包括使用修整位恢復(fù)偏移和增益誤差、數(shù)字低通濾波以及從12位轉(zhuǎn)換為10位。

十二、溫度傳感器

L9678提供內(nèi)部模擬溫度傳感器，用于參考硅表面的平均結(jié)溫度。傳感器輸出通過(guò)SPI的ADC轉(zhuǎn)換獲得，可根據(jù)特定公式計(jì)算溫度。

總結(jié)

L9678和L9678 - S芯片為汽車(chē)安全氣囊系統(tǒng)提供了全面、可靠的解決方案。其豐富的功能、可配置的特性以及完善的保護(hù)機(jī)制，使得它能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。作為電子工程師，在設(shè)計(jì)汽車(chē)安全氣囊系統(tǒng)時(shí)，L9678和L9678 - S無(wú)疑是值得考慮的選擇。你在實(shí)際應(yīng)用中是否使用過(guò)這兩款芯片？遇到過(guò)哪些問(wèn)題？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。