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汽车电子中带看门狗电源的设计要点

2019-07-04 高杨 阅读:
随着汽车电子对功能安全等级的要求提高,越来越多的汽车电子系统也用上了看门狗功能来提高电源的安全性和可靠性,以满足功能安全的要求。本文将介绍带看门狗电源的分类、系统框图、工作原理以及典型应用。

随着汽车电子对功能安全等级的要求提高,越来越多的汽车电子系统也用上了看门狗(Watchdog)功能来提高电源的安全性和可靠性,以满足功能安全的要求。本文将介绍带看门狗电源的分类、系统框图、工作原理以及典型应用。26Fednc

通常,我们将带有看门狗的电源分为三类:26Fednc

■ 基本型看门狗电源26Fednc

■ 窗口型看门狗电源26Fednc

■ 问答型看门狗电源26Fednc

1. 基本型看门狗电源

1.1系统框图

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图1:线性稳压器L4995的系统框图。26Fednc

以意法半导体(ST)的线性稳压器L4995为例,从其系统框图(图1)中可以看到,基本型看门狗电路基本有以下三种功能引脚:26Fednc

■ 基本功能引脚26Fednc

– Vin(电池输入)26Fednc

– Vo(稳压器电压输出)26Fednc

– GND26Fednc

■ 用3个引脚来实现看门狗的功能(Wi、Vcw、Res)26Fednc

– Wi(WD PWM输入)26Fednc

– Vcw(WD电容器引脚)26Fednc

– Res(复位)26Fednc

■ 保护功能(没有列出所有的保护功能)26Fednc

– 负载电流限流26Fednc

– 温度关断26Fednc

1.2 工作原理

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图2:L4995工作原理。26Fednc

连接的微控制器由看门狗输入Wi监控。如果脉冲丢失,复位输出引脚设置为低(图2)。利用外部电容器Ctw,可以在较宽的范围内设置脉冲序列时间。看门狗电路用恒流Icwd向电容器Ctw放电。如果达到较低的阈值Vwlth,将看门狗重置。26Fednc

每个Wi正边沿将电流源从放电切换到充电。当达到较低的阈值时也会发生同样的情况。当电压达到上限时,电流从充电切换到放电,其结果是一个锯齿波。Vcw为看门狗定时器电容器Ctw处的电压。26Fednc

2. 窗口型看门狗

2.1系统框图

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图3:低压差稳压器TLE7273-2系统框图。26Fednc

英飞凌(Infineon)的低压差稳压器TLE7273-2中所内置的看门狗即为窗口型看门狗,其系统框图如图3所示。26Fednc

2.2 工作原理

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图4:TPS7A63xx-Q1内置看门狗的窗口持续时间。26Fednc

以TI低压差稳压器TPS7A63xx-Q1为例,如图4所示,每个看门狗窗口由一个打开的窗口和一个关闭的窗口组成,每个窗口的宽度约为看门狗窗口的50%。但有一个例外:看门狗初始化后第一个打开的窗口是看门狗窗口持续时间的8倍。除看门狗初始化后打开的窗口外,所有打开的窗口都是看门狗窗口宽度的一半。初始化时,看门狗只能在打开的窗口中接收服务(通过软件、外部微控制器等)。在关闭的窗口中维护的看门狗,或在打开的窗口中不维护的看门狗,会造成看门狗的报错。26Fednc

3. 问答型看门狗

3.1系统框图

用德州仪器(TI)的TPS65381(用于安全关键型应用中的微处理器的多轨电源)的系统框图(图5)来示意带有问答型看门狗的结构。26Fednc

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图5:TPS65381系统框图。26Fednc

3.2 工作原理

下面用DRV3205-Q1(TI的一款用于汽车安全应用的具有3个电流感应放大器的三相电机前置驱动器IC)的问答型看门狗来解释一下具体的工作原理(图6)。26Fednc

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图6:看门狗定时器简化流程图。26Fednc

问答型看门狗通过SPI发送特定的消息序列定期进行操作。根据单片机的请求,DRV3205-Q1向SPI上的MCU,锁定在WDT_ANSWER令牌U值寄存器中。单片机执行一系列固定的对令牌值进行算术运算,并将生成的令牌值返回给MCU通过写入WDT_ANSWER应答寄存器的SPI。DRV3205-Q1设备验证MCU是否返回令牌值在指定的时间窗口内产生(应答),并且令牌值响应(答案)正确。26Fednc

● 当MCU在正确的时间窗口内执行与看门狗相关的SPI通信时,并返回正确计算的响应(答案),看门狗认为这是好事件。26Fednc

● 当MCU在正确的定时窗口外执行与看门狗相关的SPI通信时,或返回错误计算的令牌响应(答案),或返回错误的正确答案顺序,看门狗认为这是坏事件。26Fednc

● 当MCU在看门狗超时期间暂停看门狗相关的SPI通信时窗口,看门狗将此视为无响应事件。26Fednc

● 内部计数器存储wd_fail_cnt寄存器中的错误响应数,该寄存器触发。26Fednc

● 如果wd_fail_cnt达到预先定义的限制,则失败。通过在wd_fail_max中指定限制注册后,可以为坏事件的数量设置一个缓冲区。26Fednc

问答型看门狗目前用在对应功能安全等级ASIL-C/D的汽车系统中,例如EPS。但这个电路的缺点就是增加了控制软件的复杂度,同时也增加了硬件的成本,需要依据具体的系统要求来选用。26Fednc

综上所述,汽车中带有看门狗功能的电源依据不同的应用场合可以合适地选用。需要在成本、复杂性、可靠性和功能安全等方面进行综合权衡后得出一个折衷的选择。26Fednc

本文为《电子技术设计》2019年7月刊杂志文章。26Fednc

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高杨
近20年在汽车电子TOP10公司经验,特别是在车载控制器领域(多媒体、车身、驾驶辅助及VCU)。曾任职博世汽车专家级工程师,超过10年在汽车零部件(博世和大陆汽车),5+年汽车半导体(德州仪器和英飞凌),历任多种资深(系统、设计、产品)工程师职务。丰富的平台开发(从0到1)及产品开发的工程经验和技术积累。 Ford SYNC第一代的核心硬件工程师,定义和开发了德州仪器(TI)第一款智能高边驱动器(TPS1H100-Q1),填补了公司在汽车电子市场的技术路线和市场空白。 整理和标准化了与设计开发的技术文件,可以直接用于指导设计及融入公司的文件体系中,满足体系审查要求和提高公司的设计流程和管理水平。硬件设计流程管理的模板(45+篇),硬件设计评审和检查清单模板(50+篇)。 企业内训师认证(TTT) ,超过2500页汽车电子设计培训内容PPT,满足从入门、中级及高级汽车电子设计的培训要求,目前在4家企业内部实施过培训,收到了很好的反馈。 目前获得13件汽车电子专利(截止2019年12月)。《EDN电子技术设计》汽车电子专栏作者ednchina.com/author/gaoyang
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