基于多核異構(gòu)系統(tǒng)的T-BOX電源設(shè)計(jì)

劉玥　汪春華　姚勤文　裴靜　王冠達(dá)

摘 要：隨著汽車智能化，網(wǎng)聯(lián)化的不斷深入，T-BOX作為互聯(lián)通信的基礎(chǔ)，逐漸成為不可或缺的零部件。T-BOX的功能也從最初的車輛數(shù)據(jù)上傳，發(fā)展到了現(xiàn)在車輛管理，車輛定位，遠(yuǎn)程控制，安全監(jiān)測(cè)，緊急通話以及輔助駕駛等功能。功能增加的給T-BOX的信息處理速度、整機(jī)功耗和穩(wěn)定性都提出了更高的要求。由MPU和MCU組成的多核異構(gòu)架構(gòu)，成為當(dāng)前T-BOX的主流設(shè)計(jì)，文章介紹了一種用于支持多核異構(gòu)架構(gòu)的T-BOX電源系統(tǒng)，本系統(tǒng)由DCDC，LDO，PMIC，以及主備電源切換電路組成，除滿足功能要求外，還通過電性能，EMC，環(huán)境實(shí)驗(yàn)等車載電子可靠性測(cè)試，滿足產(chǎn)品配套要求。關(guān)鍵字：T-BOX;電源系統(tǒng)設(shè)計(jì);車輛網(wǎng)中圖分類號(hào)：U463.6? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）01-46-03

Abstract： Along with automotive intellectualization and network-connected more and more thoroughly， the T-BOX is becoming the indispensable ECU as it provides the foundation of the wireless communication. The function of T-box has developed from the vehicle data upload initially to the remote vehicle management， positioning， remote control， safety monitoring， emergency call and driving assistance presently. And the function become more and more complex， the higher requirement for the core processing speed， the total consumption， stability. The MPU and MCU multi-core architecture has become the mainstream design of the current T-BOX. This paper introduces a T-BOX power supply system for supporting multi-core architecture. The power system included the DCDC， LDO， PMIC and the switch circuit of main and backup power. The power system has passed the function test， electric performance test， EMC test and environmental reliability test， and meet the mass production requirement.Keywords： T-BOX; Power system design; IOVCLC NO.： U463.6? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）01-46-03

引言

Telematics BOX，簡(jiǎn)稱T-BOX，是具有無線通信功能的車載ECU。T-BOX是車聯(lián)網(wǎng)中的核心零部件，當(dāng)今汽車上的電子元器件和網(wǎng)絡(luò)單元越來越多，汽車從一個(gè)單獨(dú)封閉的整體變得越來越開放，T-BOX的功能也從基礎(chǔ)無線通信連接，發(fā)展到現(xiàn)在車輛管理，車輛定位，遠(yuǎn)程控制，安全監(jiān)測(cè)，緊急通話以及輔助駕駛等功能。用戶可以通過手機(jī)端APP發(fā)送控制命令后，TSP后臺(tái)會(huì)發(fā)出監(jiān)控請(qǐng)求指令到車載T-box，車輛在獲取到控制命令后，通過CAN總線發(fā)送控制報(bào)文并實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的控制，最后反饋操作結(jié)果到用戶的手機(jī)APP上。功能復(fù)雜度的提升，僅靠MCU + modem的架構(gòu)已經(jīng)無法滿足要求，所以誕生了目前主流T-BOX的MPU+MCU的多核異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)。MPU的引入，以及主備電源的自動(dòng)切換設(shè)計(jì)成了T-BOX電源系統(tǒng)的難點(diǎn)。

本文主要闡述了多核異構(gòu)T-BOX系統(tǒng)的電源架構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件電路實(shí)現(xiàn)，包括電源拓?fù)湓O(shè)計(jì)，主備電源自動(dòng)切換電路設(shè)計(jì)等。另外，本文也介紹了針對(duì)所設(shè)計(jì)電路的測(cè)試驗(yàn)證試驗(yàn)的方案和結(jié)果，包括電性能實(shí)驗(yàn)，電磁兼容實(shí)驗(yàn)等。

1 T-BOX系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的T-BOX系統(tǒng)包含了一顆高性能MPU作為核心處理器，來處理4G通訊傳輸任務(wù)以及輔助ADAS任務(wù)，另有一顆高實(shí)時(shí)性低功耗MCU作為協(xié)處理器，用來處理實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的任務(wù)，系統(tǒng)電源管理，以及休眠喚醒等任務(wù)。系統(tǒng)資源包括LTE通訊模塊，GNSS地位模塊，WIFI通訊模塊，加速度計(jì)與陀螺儀，CAN收發(fā)器，外部?jī)?chǔ)存芯片EMMC，以及音頻解碼芯片等。系統(tǒng)框圖如圖1所示：

MPU為核心處理器，負(fù)責(zé)LTE無線數(shù)據(jù)通訊，高精度地圖GNSS定位任務(wù)，WIFI連接任務(wù)，CAN報(bào)文收發(fā)處理任務(wù)，遠(yuǎn)程車控任務(wù)，加速度數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)，以及VoIP功能。MPU芯片選擇NXP公司的i.MX6系列處理器，運(yùn)行頻率最高可達(dá)1.0 GHz，配備512 KB L2緩存和32位DDR3/LPDDR2支持。

MCU為系統(tǒng)協(xié)處理器，負(fù)責(zé)處理實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的任務(wù)，包括開機(jī)階段替代MPU處理CAN報(bào)文，休眠CAN喚醒，休眠陀螺儀加速度計(jì)檢測(cè)，系統(tǒng)電源管理，AD轉(zhuǎn)換處理等任務(wù)。MCU芯片選用ST STM32F3系列，包含一顆Cortex-M4的核心，最高主頻在72MHz。

系統(tǒng)外部資源包括LTE通訊模組，GNSS定位模組，WIFI通訊模組，加速度計(jì)陀螺儀，音頻解碼芯片，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片等。

2 電源系統(tǒng)

T-BOX設(shè)計(jì)為24V系統(tǒng)，工作電壓范圍為6.8V～40V，系統(tǒng)自身配有備用電池滿足主電斷開的意外狀況的工作要求，備用電池為可充電電池。電源系統(tǒng)要求滿足ISO7637-2，pulse 5a（Us=160V，Td=350ms），TCP連接休眠靜態(tài)設(shè)計(jì)功耗為5mA@24V，滿足汽車電子電器性能環(huán)境要求。

系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)：

狀態(tài)一：ACC ON，正常工作模式，設(shè)備全處于正常工作狀態(tài)。

狀態(tài)二：LTE休眠，CAN休眠，其他外設(shè)關(guān)閉（除陀螺儀），MCU進(jìn)入STOP模式。

系統(tǒng)工作狀態(tài)設(shè)置由MCU控制電源使能或load switch使能實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)電源拓?fù)湟妶D2。

在系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)二時(shí)，任務(wù)系統(tǒng)處于休眠模式。系統(tǒng)處于休眠階段的喚醒源包括：看門狗中斷，陀螺儀加速度計(jì)中斷，CAN喚醒報(bào)文，LTE中斷喚醒，外部按鍵喚醒，MCU喚醒時(shí)可識(shí)別內(nèi)部喚醒中斷源來判斷是哪種外部喚醒源觸發(fā)的此次喚醒。所有休眠喚醒邏輯都有MCU來實(shí)現(xiàn)。

備用電池在KL30斷電時(shí)替代其為系統(tǒng)供電，要求系統(tǒng)全功能工作維持30分鐘，兼顧考慮車載產(chǎn)品溫度范圍大安全性要求高的特點(diǎn)，選取鎳氫電池作為系統(tǒng)的備用電池，選用鎳氫電池供應(yīng)商FDK的HR-AAULT產(chǎn)品。該產(chǎn)品兼顧良好的低溫放電特性和較高的壽命，標(biāo)稱容量1000mAh，放電溫度范圍標(biāo)稱最大到-40℃～85℃，充放電曲線見圖3。設(shè)計(jì)估算系統(tǒng)功耗最大不超過8W，為了滿足30分鐘工作時(shí)間，選用4節(jié)電池作為備用供電。

系統(tǒng)要求支持供電范圍是6.8V～40V，4節(jié)鎳氫電池充滿電電壓可到6.2V，主備點(diǎn)切換門限設(shè)置在6.5V，通過R417和R418設(shè)置切換門限電壓，切換電路使用PMOS實(shí)現(xiàn)，硬件切換，不需要軟件參與，MCU通過讀取目前主電電壓來判斷主電是否在位，切換電路見圖4，其中BAT_6V5是備用電源，VBR是KL30輸入濾波后電源，VBAT為系統(tǒng)總能供電。

3 測(cè)試驗(yàn)證

本系統(tǒng)通過電性能測(cè)試，EMC測(cè)試，上下電時(shí)序測(cè)試等，滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求，T-BOX產(chǎn)品生產(chǎn)實(shí)物見圖5。

根據(jù)主流車廠可靠性實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)本文設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行直流供電試驗(yàn)，過壓試驗(yàn)，疊加交流電壓試驗(yàn)，供電緩升緩降試驗(yàn)，供電電壓瞬時(shí)下降，電壓驟降復(fù)位試驗(yàn)等，測(cè)試結(jié)果均符合預(yù)期要求，電性能試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

EMC摸底試驗(yàn)項(xiàng)目如圖7，EMC試驗(yàn)在CNAS認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行，測(cè)試結(jié)果全部通過。

4 結(jié)束語

本文基于T-BOX多核異構(gòu)的系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一套滿足使用場(chǎng)景各工作條件要求的電源系統(tǒng)，包括上下電時(shí)序，主備電源切換，休眠喚醒設(shè)計(jì)等功能。在此電源系統(tǒng)下，使T-BOX產(chǎn)品可以穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)上報(bào)，車輛遠(yuǎn)程控制定位報(bào)警，以及ADAS等功能，使T-BOX功能得以進(jìn)一步擴(kuò)展，為整車提供更多的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支持。

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