汽車(chē)工業(yè)對(duì)可靠性要求很高。同時(shí)，從業(yè)者也在不斷致力于有效控制成本和提高效率。為了滿足這些要求，汽車(chē)制造商對(duì)架構(gòu)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，并在不同的汽車(chē)平臺(tái)上整合了需求。另一方面，車(chē)輛中的電子元器件迅速增加，功能和選項(xiàng)的數(shù)量非常廣泛，因此還需要靈活性和可擴(kuò)展性。

我們以其中最具代表性的車(chē)身控制模塊（BCM）為例，大量繼電器、指示器和執(zhí)行器分布在車(chē)輛上，每一個(gè)繼電器或者負(fù)載，就需要一個(gè)通道來(lái)進(jìn)行控制，并且還要有全面的診斷功能。因此，需要一個(gè)產(chǎn)品可以高度集成這些功能和通道，SPI控制驅(qū)動(dòng)器便是由此而誕生的。

以 “英飛凌SPIDER+系列TLE75602”為例，通過(guò)其內(nèi)部框圖（圖1）直觀地了解SPI控制驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部架構(gòu)，它是將多通道的驅(qū)動(dòng)器集成于一起，并加以SPI控制，進(jìn)一步提升集成度和診斷功能。

圖1 內(nèi)部框圖

1. SPI控制驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)

SPI控制驅(qū)動(dòng)器作為一個(gè)多通道設(shè)備，相比于傳統(tǒng)的分立通道，可以減少PCB空間。與此同時(shí)，它還具有很多重要的特點(diǎn)，我們將著重介紹其SPI通訊，高低邊靈活可配，以及對(duì)于不同負(fù)載的兼容性特點(diǎn)。

1.1 SPI通訊

SPI是串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫(xiě)。SPI是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，其節(jié)約芯片的管腳，同時(shí)為PCB的布局上節(jié)省空間。正是出于這種簡(jiǎn)單易用的特性，如今越來(lái)越多的芯片集成了這種通信協(xié)議。

SPI同步的多從通訊協(xié)議使微控制器在I/O方面的資源會(huì)進(jìn)一步地減少。

SPI總線可以分為并行控制或者菊花鏈控制。如圖2所示：

圖2 SPI菊花鏈及并行總線結(jié)構(gòu)

對(duì)于并行SPI（也稱(chēng)為級(jí)聯(lián)SPI），除了SCLK、SI等之外，總線中的每個(gè)從機(jī)都需要微控制器（芯片選擇、CSN）的一個(gè)輸出，以便將消息尋址到特定的從機(jī)。在這種配置下，微控制器和SPI從機(jī)之間的通信使用標(biāo)準(zhǔn)的16位字消息。

使用菊花鏈配置，無(wú)論鏈中的“從機(jī)”數(shù)量如何，微控制器所需的管腳數(shù)量都會(huì)減少到至少4個(gè)（SO，SI、CLK和CSN）。菊花鏈拓?fù)涞娜秉c(diǎn)是，SPI消息長(zhǎng)度與鏈中設(shè)備的數(shù)量“n”成比例（n*16位）。例如，如果在SPI菊花鏈配置中控制4個(gè)spider+設(shè)備，則消息長(zhǎng)度將為64位。而且我們還要評(píng)估擴(kuò)展位長(zhǎng)消息所帶來(lái)的額外通信延遲的影響。

1.2 靈活配置的驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)?/p>

驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電路拓?fù)渲饕懈哌咈?qū)動(dòng)、低邊驅(qū)動(dòng)、半橋驅(qū)動(dòng)和全橋驅(qū)動(dòng)四種，如圖3所示:

圖3 負(fù)載的四種驅(qū)動(dòng)拓?fù)?/p>

傳統(tǒng)的低邊開(kāi)關(guān)將所集成的MOS管的漏極引出，用于連接負(fù)載，從而將接地（GND）連接到負(fù)載，負(fù)載始終連接到另一端的更高電位，即電池正極。當(dāng)?shù)瓦呴_(kāi)關(guān)啟動(dòng)時(shí)，電路閉合，電流流過(guò)負(fù)載。低邊開(kāi)關(guān)是最容易實(shí)現(xiàn)和最便宜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但在系統(tǒng)層面上有兩個(gè)主要缺點(diǎn)，即每負(fù)載需要兩根電線，一根用于開(kāi)關(guān)，一根用于給負(fù)載供電；第二個(gè)缺點(diǎn)是，如果車(chē)輛中最常見(jiàn)的故障模式是對(duì)地短路，則負(fù)載會(huì)被意外激活。

傳統(tǒng)的高邊開(kāi)關(guān)將所集成的MOS管的源極引出，用于連接負(fù)載，將電源或電池（VS）連接到負(fù)載，負(fù)載始終連接到另一端的較低電位，即接地（GND）。系統(tǒng)級(jí)的優(yōu)點(diǎn)是減少接線，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)只需要一根導(dǎo)線，負(fù)載的另一端直接連接到底盤(pán)上的接地（GND）；此外，如果輸出對(duì)地短路，負(fù)載不會(huì)被意外激活。高邊開(kāi)關(guān)需要一個(gè)電荷泵來(lái)提供高于電池（vs）的柵極電壓，以確保NMOS的柵極有足夠的電壓來(lái)激活開(kāi)關(guān)。

SPI控制驅(qū)動(dòng)器將內(nèi)部集成MOSFET 的源極和漏極分別引出，大大提高了通道的靈活性，不僅可以從高側(cè)或低側(cè)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，還可以實(shí)現(xiàn)圖3所示的半橋，全橋等拓?fù)?；與此同時(shí)，可配置通道還有一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)：同一設(shè)備內(nèi)可以支持不同的電池或保險(xiǎn)絲供電。

1.3 不同負(fù)載的兼容性

負(fù)載主要分為三類(lèi)，分別是阻性負(fù)載，容性負(fù)載和感性負(fù)載。

電阻負(fù)載僅受電流能力和功耗的限制；SPI控制驅(qū)動(dòng)器最典型的電阻負(fù)載是傳感器、參考電壓和指示燈。

典型的感性負(fù)載是繼電器線圈；除了功率級(jí)的功耗和電流能力外，這種負(fù)載的一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是負(fù)載關(guān)閉時(shí)的耗散感應(yīng)能量。SPI控制驅(qū)動(dòng)器集成了一個(gè)有源箝位電路，它能夠重復(fù)吸收大多數(shù)汽車(chē)?yán)^電器的感應(yīng)能量，而無(wú)需額外的外部保護(hù)電路（即續(xù)流二極管）。

電容性負(fù)載簡(jiǎn)單地定義為初始峰值電流或浪涌大于穩(wěn)態(tài)電流的任何電子負(fù)載。在這種情況下有些半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)通常會(huì)因過(guò)電流保護(hù)而閉鎖。以英飛凌SPI控制驅(qū)動(dòng)器的SPIDER+系列為例，它還可以通過(guò)實(shí)施自動(dòng)重試策略驅(qū)動(dòng)小燈泡和其他電容負(fù)載。

綜上所述，我們可以通過(guò)傳統(tǒng)分離器件與SPI控制驅(qū)動(dòng)器方案對(duì)比（見(jiàn)圖4）直觀地看到傳統(tǒng)分立器件的方案和SPI控制驅(qū)動(dòng)器 方案的區(qū)別，以及SPI控制驅(qū)動(dòng)器在系統(tǒng)層面的優(yōu)勢(shì)。

圖4 傳統(tǒng)分離器件方案對(duì)比SPI控制驅(qū)動(dòng)器方案

2. SPI控制驅(qū)動(dòng)器的跛行回家模式

作為一個(gè)以SPI通訊為主要控制方式的驅(qū)動(dòng)器，如果微控制器和驅(qū)動(dòng)器之間的SPI通信損壞，意味著發(fā)送的消息和預(yù)期的響應(yīng)數(shù)據(jù)不匹配，那么必須要有一種故障安全機(jī)制，即使在電子模塊發(fā)生故障的情況下，包括軟件執(zhí)行錯(cuò)誤、SPI消息損壞或數(shù)字電源電壓不正確等情況下，依舊可以確保車(chē)輛中的某些安全臨界負(fù)載保持功能。這種故障安全機(jī)制就叫做跛行回家模式。

為了更清晰地解釋跛行回家模式的實(shí)現(xiàn)方法，我們以英飛凌的SPI控制驅(qū)動(dòng)器TLE75602和系統(tǒng)供電芯片TLE9263QX為例，搭建最小系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行解釋。

圖5 跛行回家模式示例

示例中由系統(tǒng)供電芯片來(lái)監(jiān)控微控制器、SPI通信和+5V/VDD電源的狀態(tài)，如圖5 所示：繼電器A和繼電器B被分配給out2和out3，因?yàn)樵邗诵谢丶夷Ｊ狡陂g，這些通道可以由IN0和IN1直接控制。微控制器IO 與外部安全硬件一起用作冗余路徑。正常模式時(shí)，其輸出由微控制器進(jìn)行控制；當(dāng)供電芯片檢測(cè)到問(wèn)題時(shí)（MCU運(yùn)行故障，導(dǎo)致與系統(tǒng)供電芯片的看門(mén)狗交互失?。?，它將觸發(fā)“故障輸出”，拉低與其連接的TLE75602 IDLE 管腳，而微控制器失去功能， OUT2, 3的繼電器A, B 直接由外部的安全硬件進(jìn)行控制，進(jìn)入安全的故障處理狀態(tài)。

3. SPI繼電器驅(qū)動(dòng)控制器的目標(biāo)應(yīng)用

SPI繼電器驅(qū)動(dòng)控制器最常見(jiàn)的汽車(chē)應(yīng)用是車(chē)身控制模塊（BCM）領(lǐng)域。但是，其幾乎可用于任何汽車(chē)電子控制單元或電子控制單元，例如智能PDB（配電盒）、暖風(fēng)、通風(fēng)與空調(diào)活門(mén)控制、智能后視鏡控制、E-shift等。

希望以上介紹能夠?qū)Υ蠹页醪搅私釹PI繼電器驅(qū)動(dòng)控制器有所幫助。我們還會(huì)將其重要的特點(diǎn)，如功能安全相關(guān)特性等，在后續(xù)的文章和視頻中進(jìn)一步介紹。