L9678/L9678 - S：汽車安全氣囊系統(tǒng)的理想芯片方案

在汽車安全氣囊系統(tǒng)的設(shè)計中，選擇合適的芯片至關(guān)重要。STMicroelectronics推出的L9678和L9678 - S芯片，為入門級安全氣囊系統(tǒng)提供了獨特且強大的解決方案。今天，我們就來深入探討這兩款芯片的特點、功能以及應(yīng)用。

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一、芯片概述

L9678是一款專門針對新興市場應(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。而L9678 - S與L9678引腳兼容，額外增加了兩個PSI - 5遠程傳感器接口通道和一個專門為遠程傳感器供電的穩(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)用需求進行配置，平衡成本和性能。
• 能量儲備系統(tǒng)：通過集成的開關(guān)升壓調(diào)節(jié)器實現(xiàn)能量儲備供電（ERBOOST），采用高頻操作，允許用戶選擇低價值、低成本的電感，輸出電壓可通過SPI命令設(shè)置為23V或33V。
• 多通道驅(qū)動與接口：具備4通道爆管驅(qū)動、2通道HS/LS通用輸出（GPO）驅(qū)動、4通道傳感器接口，可連接多種類型的傳感器，如霍爾效應(yīng)、電阻或開關(guān)傳感器。
• 安全邏輯監(jiān)測：集成的安全邏輯可監(jiān)測慣性傳感器數(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，方便用戶進行系統(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；能量儲備供應(yīng)（ERBOOST）通過集成的開關(guān)升壓調(diào)節(jié)器實現(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、活動和被動模式。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)壓器開啟，芯片準備好激活其他電源。
• 活動模式：所有電源供應(yīng)開啟，能量儲備升壓轉(zhuǎn)換器開始工作，系統(tǒng)正常運行。
• 被動模式：能量儲備充電電流禁用，ERBOOST升壓轉(zhuǎn)換器在特定條件下禁用，系統(tǒng)依靠能量儲備電容供電。

可配置系統(tǒng)電源控制

• ERBOOST開關(guān)穩(wěn)壓器：工作頻率為1.882MHz，可通過SPI命令設(shè)置輸出電壓為23V或33V，具備過壓和欠壓診斷功能。
• 能量儲備電容充電電路：通過電流發(fā)生器為連接到VER引腳的能量儲備電容充電，充電電流為30mA，可通過SPI命令控制。
• ER開關(guān)和COVRACT引腳：集成的ER開關(guān)在進入被動模式時自動激活，具備熱保護和電流限制功能；COVRACT引腳用于控制外部可選的交叉開關(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。它由輸入移位寄存器、輸出移位寄存器和四個控制信號組成，所有SPI通信以32位為單位進行。通過SPI接口，用戶可以訪問多個32位寄存器，實現(xiàn)對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、部署成功標志、遠程傳感器接口故障等。
• 故障狀態(tài)寄存器（FLTSR）：報告芯片的各種故障信息，如ERBOOST過溫、內(nèi)部振蕩器錯誤等。
• 系統(tǒng)配置寄存器（SYS_CFG）：用于配置系統(tǒng)的各種參數(shù)，如自動開關(guān)關(guān)閉、ERBOOST行為、診斷時間等。
• 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

驅(qū)動邏輯

爆管部署模塊由4個獨立的高端驅(qū)動和4個獨立的低端驅(qū)動組成。部署邏輯需要通過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輸入引腳的評估結(jié)果，才能觸發(fā)部署。

控制邏輯

• 部署電流選擇：通過部署配置寄存器（DCRx）為所有通道編程部署電流，不同的電流和時間組合有相應(yīng)的限制。
• 部署命令過期定時器：部署命令在接收到后，在指定的時間內(nèi)有效，可通過部署狀態(tài)寄存器（DSRx）讀取部署狀態(tài)和過期定時器的值。
• 部署控制流程：成功部署需要滿足多個條件，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。

保護機制

• 延遲低端停用：在部署結(jié)束時，低端驅(qū)動在高端驅(qū)動停用后延遲tDEL_SD_LS時間停用，以控制爆管引腳的電壓尖峰。
• 低端電壓鉗位：通過鉗位結(jié)構(gòu)保護低端驅(qū)動免受SRx引腳的過壓影響。
• 短路保護：低端驅(qū)動具備電流限制和過流保護電路，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。
• 間歇性開路爆管保護：在部署過程中，若出現(xiàn)間歇性開路負載，驅(qū)動可通過特定機制限制電流，防止損壞。

診斷功能

L9678為所有部署通道提供多種診斷反饋，包括高壓泄漏測試、短路診斷、爆管電阻測量等。這些診斷結(jié)果通過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、遠程傳感器接口

L9678 - S包含2個遠程傳感器接口，支持PSI - 5協(xié)議。該接口由電源接口、解碼器和錯誤檢測電路組成，可將傳感器的電流狀態(tài)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，并通過遠程傳感器數(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)字數(shù)據(jù)傳輸，支持125kbps和189kbps的高速數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)字長度可變（僅8位和10位），具備1位奇偶校驗和異步操作模式。
• 功能描述：每個通道獨立工作，不受其他通道故障影響，可獨立啟用或禁用。通過集成的電流調(diào)整功能自動設(shè)置電流檢測閾值，適應(yīng)傳感器的靜態(tài)電流消耗。

故障保護

• 短路保護：每個輸出通過獨立的電流限制電路進行短路保護，當輸出電流超過ILIMTH且持續(xù)時間超過TILIMTH時，輸出級禁用。
• 過壓保護：所有輸出獨立保護，防止短路到電池的情況，當輸出RSUx引腳電壓超過VSUP供應(yīng)引腳電壓且持續(xù)時間超過TSTBTH時，檢測到短路到電池。
• 其他保護：還具備交叉鏈接檢查、開路檢測、漏電檢測和熱關(guān)斷保護等功能。

六、看門狗定時器

L9678提供了一個臨時看門狗定時器，確保系統(tǒng)軟件正常運行?？撮T狗窗口時間可通過SPI編程，需要在指定時間窗口內(nèi)寫入特定代碼以服務(wù)看門狗控制。

工作模式

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

狀態(tài)描述

• WD1_INITIAL：啟動后的默認狀態(tài)，無需看門狗服務(wù)，所有arming信號禁用。
• WD1_RUN：正常運行狀態(tài)，需要進行看門狗服務(wù)。
• WD1_TEST：用于測試看門狗功能的特殊狀態(tài)，部署被禁止。
• WD1_RESET：發(fā)生WD1_ERROR時進入的狀態(tài)，持續(xù)1ms后自動退出。
• WD1_OVERRIDE：用于開發(fā)目的的特殊狀態(tài)，可禁用看門狗功能。

七、DC傳感器接口

L9678的DC傳感器接口可與多種類型的傳感器連接，如霍爾效應(yīng)、電阻或開關(guān)傳感器。測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

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

測量方法

• 霍爾效應(yīng)傳感器：進行單電流測量，將電流負載反映到參考電阻上，通過內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換器測量電壓降。
• 電阻或開關(guān)傳感器：進行更復(fù)雜的測量，先提供電流信息，再提供輸出引腳的電壓信息，通過處理這兩個值計算電阻值。

八、安全邏輯

邏輯概述

集成的安全邏輯通過解碼SPI通信中的數(shù)據(jù)，使用來自板載和遠程位置的傳感器數(shù)據(jù)。它具備多個可編程特性，能夠處理來自多達4個傳感器的數(shù)據(jù)，采用簡單的對稱數(shù)據(jù)閾值比較方法，使用對稱或非對稱計數(shù)器。

數(shù)據(jù)解碼

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

狀態(tài)機操作

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

簡單閾值比較操作

傳感器數(shù)據(jù)通過SPI接口接收并驗證后，與兩個閾值（SAF_TH和 - SAF_TH）進行比較。根據(jù)比較結(jié)果，事件計數(shù)器進行相應(yīng)的增減操作，當計數(shù)器值達到arming閾值時，觸發(fā)arming信號。

九、通用輸出（GPO）驅(qū)動

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

保護機制

• 短路保護：驅(qū)動具備短路保護功能，輸出驅(qū)動包含診斷信息，可在GPO故障狀態(tài)寄存器（GPOFLTSR）中查看。
• 熱過載保護：熱過載故障在溫度超過熱故障條件時保持激活，即使讀取GPOFLTSR寄存器也不會清除。
• 開路負載診斷：在ON狀態(tài)下進行開路負載診斷，通過比較輸出電流與參考閾值判斷是否存在開路。

十、ISO9141收發(fā)器

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

工作原理

當ISOTX引腳為高電平時，ISOK輸出禁用；當ISOTX引腳為低電平時，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)果進行高低電平切換。

保護與診斷

輸出級具備短路保護功能，診斷提供電流限制和熱關(guān)斷反饋。在電流限制時，輸出級繼續(xù)工作，直到達到熱限制，此時輸出級關(guān)閉，故障狀態(tài)在ISO9141故障狀態(tài)寄存器（ISOFLTSR）中報告。

十一、系統(tǒng)電壓診斷

L9678的系統(tǒng)電壓診斷電路通過內(nèi)部模擬多路復(fù)用器處理多個輸入，并通過SPI數(shù)字接口提供診斷反饋。通過四個SPI診斷控制命令（DIAGCTRLx）激活診斷電路，可測量多個節(jié)點的電壓。

診斷控制

DIAGCTRLx命令的ADCREQ[A - D]位字段用于選擇不同的測量項目，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，運行頻率為16MHz。ADC輸出經(jīng)過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SPI的ADC轉(zhuǎn)換獲得，可根據(jù)特定公式計算溫度。

總結(jié)

L9678和L9678 - S芯片為汽車安全氣囊系統(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機制，使得它能夠滿足不同應(yīng)用場景的需求。作為電子工程師，在設(shè)計汽車安全氣囊系統(tǒng)時，L9678和L9678 - S無疑是值得考慮的選擇。你在實際應(yīng)用中是否使用過這兩款芯片？遇到過哪些問題？歡迎在評論區(qū)分享交流。