汽車安全設計自動防故障功能

【Word版本下載可任意編輯】汽車安全設計自動防故障功能安全氣囊在汽車輔助約束系統(tǒng)（SRS）中發(fā)揮著關鍵的作用。目前，乘用車安裝安全氣囊已經成為一種標準。大家都知道在汽車產生碰撞時，安全氣囊和安全帶可降低車內人員頭部和上身撞擊車內元件的機率。它們還可透過使撞擊力更均勻地分布來降低人員受傷的風險。但是現(xiàn)在，許多人已經認識到能給人帶來安全的輔助約束系統(tǒng)也有可能會危及車內人員的生命安全。因此，在開發(fā)安全系統(tǒng)時，必須全面考慮系統(tǒng)的各種特性，以確保到達所需的安全水準。為了解決這方面的問題，英飛凌開發(fā)出了具有豐富特性的氣囊觸發(fā)晶片，可幫助系統(tǒng)實現(xiàn)自動故障防護功能。

亞洲的汽車安全氣囊系統(tǒng)市場預計將繼續(xù)成長，這主要得益于中國市場的成長。未來五年，該市場的增幅將到達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(qū)實施的新安全法規(guī)。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20**年將到達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速成長。另外，隨著中國車輛出口的不斷成長，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成長。

目前，隨著歐美新法規(guī)的實施，安全氣囊系統(tǒng)預計將變得更加完善。塬始設備制造商將面臨著價格壓力，需要應對平衡成本、創(chuàng)新與可靠性的挑戰(zhàn)。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(yè)界認為可靠應用是汽車安全氣囊系統(tǒng)重要的問題，因此，本文將探討在較差的執(zhí)行條件下（例如泄漏和低壓）如何平衡安全要素和系統(tǒng)成本。

近30年來，歐洲路面的車輛增加了叁倍，但道路卻只增加了二倍。隨著交通量的日益增大，現(xiàn)代汽車呈現(xiàn)出為駕駛員和乘客提供越來越高的安全性和舒適性的態(tài)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(fā)揮了重要作用。如今GPS系統(tǒng)、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份。但除了舒適性以外，用戶還希望為自己和家人購買具備更***全性的汽車。

因此，安全系統(tǒng)開始發(fā)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(tǒng)。今后，由于道路還遠不能到達百分之百安全，因此該市場可望持續(xù)成長。

塬來的安全系統(tǒng)采用分離式組件提供所需功能，但近些年來，所有系統(tǒng)都采用了整合方式。目前多數(shù)RCU（安全防護控制單元）都是由MCU（主控單元）、通訊介面、電源、感測器介面和燃爆電路構成。本文涵蓋RCU的燃爆電路部份。下文將探討安全氣囊系統(tǒng)的安全性和應用IC的相關安全特性。

圖1:安全氣囊的ECU簡圖。

氣囊安全性

開發(fā)安全系統(tǒng)時必須全面考慮系統(tǒng)的各種特性，以確保到達所需的安全水準。從系統(tǒng)的角度出發(fā)，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(fā)；2.防止意外觸發(fā)。

上述兩種特性都必須遵照相關標準（即IEC61508）的具體要求，確保到達相應的安全水準。

安全系統(tǒng)的相關安全標準提出了‘自動防故障’理念。當安全系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，其設計應該確保故障不會損壞相鄰的系統(tǒng)或對人員造成傷害。

乍看之下，有人可能會覺得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(tǒng)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(fā)，就會造成人員傷亡，盡管如此絕大多數(shù)車主仍希望永遠無需觸發(fā)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，隨時都可能產生安全氣囊意外觸發(fā)。如果出現(xiàn)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）。

整體而言，應盡可能確保在產生意外事故時實現(xiàn)安全氣囊的正確觸發(fā)，同時也必須努力防止安全氣囊的意外觸發(fā)。

為了使大家能夠更好地了解安全氣囊系統(tǒng)以及如何實現(xiàn)故障防護功能，有必要介紹一下整個系統(tǒng)的執(zhí)行塬理（參見圖2）。

通常情況下，汽車衛(wèi)星感測器介面獲取外部感測器（加速度或壓力感測器）發(fā)送的數(shù)據并對其開展分析。這些感測器依據功能或所屬類型（前端碰撞加速度感測器、側面碰撞壓力感測器或側面碰撞加速度感測器）的不同而分布于汽車的前端、車門內或B柱上。如果出現(xiàn)碰撞事故，感測器承受的加速度或壓力就會大幅提高，使主微控制器得知產生了碰撞事故。這時主微控制器必須依據該感測器的數(shù)據、板載感測器的數(shù)據、座椅的位置和其他參數(shù)，決定是否觸發(fā)安全氣囊。

如果決定觸發(fā)安全氣囊，主微控制器就會向燃爆介面發(fā)送指令。與此同時，備用系統(tǒng)（通常為備用8位元微控制器）也必須依據更根底的數(shù)據（即僅板載感測器數(shù)據）做出決定，讓指定硬體線路允許燃爆IC觸發(fā)氣囊。

觸發(fā)是使電流流過燃爆管（通常在1.2A至1.75A之間）實現(xiàn)的。燃爆管在此作為電阻僅為幾歐姆的電阻器，因此要想節(jié)省能量必須控制電流。如果電流流經燃爆管到達一定時間（通常0.5ms至2ms），安全氣囊就將完成觸發(fā)。

從產生感測器資訊、發(fā)送感測器資訊、分析所有參數(shù)、做出決策、將決策傳輸至觸發(fā)IC到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(fā)氣囊流程的兩步展開分析。

觸發(fā)IC的安全特性

英飛凌現(xiàn)有的觸發(fā)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.啟動軟硬體開展觸發(fā)

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，前叁種專用于防止意外觸發(fā)，剩下的用于確保在需要時完成觸發(fā)。下文將論述所有這些特性。

CrosSave

為了在可能出現(xiàn)的‘生產故障’（缺陷晶片、ESD損壞等）條件下，實現(xiàn)自動防故障功能，安全氣囊系統(tǒng)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(guī)定的條件下流入燃爆管。

圖2:氣囊驅動晶片的簡化構造圖。

這種特性可透過叁種方式實現(xiàn)：采用單片IC整合高側（HS）和低側（LS）開關；采用兩個相同的IC,但透過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，將兩個不同的晶片整合至一個封裝內（CrosSaveTM）。

采用單片IC時，如果晶片產生故障，就會帶來危險。因為兩個開關都整合在一個晶片上，因而無法實現(xiàn)自動防故障功能。

第二和第叁種方式分離了兩個開關，一旦出現(xiàn)故障，只是一個開關會受損，仍能實現(xiàn)自動防故障功能。哪種方式更加安全則需要進一步探討。

CrosSave（參見圖3）具備單一封裝優(yōu)勢，與其他解決方案相較，節(jié)省了板卡空間，降低了設計難度，同時始終確保了系統(tǒng)的自動防故障功能。

圖3:CrosSave的分離式晶片概念。

一方面，交叉耦合采用冗余性實現(xiàn)自動防故障功能。冗余系統(tǒng)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(shù)。

總之，這兩種解決方案與單片系統(tǒng)相較，能夠提供更加安全的性能。

泄漏檢測

為了確保只在規(guī)定條件下產生燃爆，必須開展泄漏檢查。泄漏測量可防止打開一個開關開展測試時（參見4.5節(jié)）產生燃爆情況。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開展測試，并在這些位置和接地端及電池端存在泄漏時實現(xiàn)檢測。

啟動軟硬體開展觸發(fā)

防止意外觸發(fā)的特性要求獲得多個外部軟體指令以及多條硬體線路必須處于預定義狀態(tài)，方可開展觸發(fā)。

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(xiàn)通訊故障和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即可開展燃爆。否則，開關將被打開，電流限值將設定為約40mA（診斷電流限值），這缺陷以點燃燃爆管。

如上文所述，硬體線路也必須到達預定義的電壓，才能開展燃爆。不同廠商的產品的這種特性有所不同。TLE77xx燃爆IC系列具備四條硬體線路：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位元微控制器）連接。

HSENQ和LSEN即使在診斷電流限值條件下執(zhí)行，也能打開高側開關和低側開關。這些線路必須與MCU連接，目的是開展下文所述的開關測試。

另一方面，F(xiàn)LENH和FLENL也能促使燃爆電流（1.2A…1.75A）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產生碰撞事故時，才能從儲能器中獲得燃爆電流觸發(fā)安全氣囊。

電阻測量

燃爆管在整個使用周期內可能會產生老化，導致在產生碰撞事故條件下無法完成觸發(fā)，因此需要定期測量電阻，確保燃爆管處于正常的工作狀態(tài)。如果電阻值超出安全范圍，燃爆管關閉，警報燈點亮，向司機發(fā)出警報，直至汽車修理完畢。電阻是利用小電流（診斷電流）開展測量的。

通常利用燃爆IC的類比輸出埠獲得電阻值。

開關測試

當然，為了確保正確完成觸發(fā)，燃爆IC必須對開關開展自檢。這些開關能夠防止意外觸發(fā)（可能產生），但另一方面，當產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(fā)。如果其中一個產生故障，RCU就無法執(zhí)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(xiàn)流向電池的泄漏電流，打開低側開關會出現(xiàn)流向接地線的泄漏電流，因此，應先開展泄漏測量，然后再打開其中一個開關。

按照4.3節(jié)所述作業(yè)，不僅需要軟體指令，而且需要從MCU側將硬體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(tǒng)，通常需要產生高壓以驅動MOSFET閘極。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（高側供電電容CHSS）提供。

這些IC能夠監(jiān)控外部電容的狀態(tài)，防止在必要時因電容故障無法完成觸發(fā)。

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。因此當電容過度老化時，需要向駕駛員發(fā)出警報，提醒更換電容。

板載電壓測量

，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(xiàn)故障（MCU和其他IC