車身域控制器低頻驅動芯片失效研究

【摘" 要】車身域控制器作為整車電氣控制系統的核心模塊，承擔車輛電器功能、加密認證、網絡通信等重要功能，其中無鑰匙進入及啟動系統作為車身域控制器的基礎功能尤為重要，其實現了主動進入、離開車輛檢測、鑰匙定位、防盜認證及低壓電控制等功能。鑰匙定位是實現這些功能的基礎，由低頻驅動部分和鑰匙組成，其中低頻驅動芯片和低頻天線構成了低頻驅動部分，一旦低頻驅動系統異常，車輛將無法啟動。基于恩智浦（NXP）NJJ29C2A9HN5芯片，文章重點對車身域控制器低頻驅動芯片的失效進行深入研究，并提出解決方案，增加車身域控制器硬件的可靠性。

【關鍵詞】域控制器；無鑰匙進入及啟動系統；低頻驅動芯片；低頻天線

中圖分類號：U463.6" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）08-0059-03

Research on the Failure of Low Frequency Drive Chips in Automotive Body Controllers

CHEN Jianqiang1，ZHAO Wei2

（1. Great Wall Motor Co.，Ltd.，Baoding 071000；2. Intelligent Platform Development Center Great Wall Motor Haval Technology Center，Baoding 071000，China）

【Abstract】As the core module of the vehicle electrical control system，the body controller domain undertakes important functions such as vehicle electrical functions，encryption authentication，network communication，etc. Among them，the keyless entry system is particularly important as the basic function of the body controller domain. PEPS realizes functions such as active entry and exit vehicle detection，key positioning，anti-theft authentication，and low-voltage control. Key positioning is the foundation for achieving these functions. Key positioning consists of a low-frequency driving part and a key，and the low-frequency driving chip and low-frequency antenna form the low-frequency driving part. Once the low-frequency driving system is abnormal，the vehicle will not be able to start. This article focuses on the NXP NJJ29C2A9HN5 chip and conducts in-depth research on the failure of the low-frequency drive chip in the body controller domain. Some solutions are proposed to increase the reliability of the hardware in the body controller domain.

【Key words】CEM；PEPS；low frequency drive chip；low frequency antenna

作者簡介

陳建強（1980—），男，工程師，主要從事車身電子、車載網絡通信和混合動力系統的產品設計與驗證、車聯網大數據運營、軟件分析與改進研究工作。

1" 引言

目前市場上大部分車身域控制器CEM（Central Electronic Module）集成了PEPS（Passive Entry Passive Start，無鑰匙進入及啟動系統）功能，并且隨著隱藏式門把手的應用，這些車型往往采用主動進入功能（Active Entry），這就增加了低頻天線LF（Low Frequency）的工作周期。CEM根據不同的功能或場景，按照一定的周期和時序驅動LF發送125kHz的低頻信號，智能鑰匙被LF信號喚醒，通過LF信號中的ID識別匹配關系后[1]，發送高頻信號給CEM。該信號包含不同位置低頻天線的RSSI值（Received Signal Strength Indicator，場強指示器），一般多采用433.92MHz FSK調制模式。CEM根據不同位置低頻天線的RSSI數值識別鑰匙的具體位置，并對鑰匙的身份進行安全認證，安全認證通過后，開始動力系統的防盜認證和電子轉向鎖解鎖動作，最后進入動力可運行狀態。PEPS功能硬件組成如圖1所示。

如果LF驅動芯片損壞，PKE（Pemote Keyless Entry，遙控功能）將無法使用，即使通過遙控功能開啟車門，車輛啟動時，無法驅動LF天線激活鑰匙進行啟動安全認證，CEM也無法識別鑰匙處于車內區域（PS），所以用戶按下PEPS按鍵后，車輛是無法啟動的。本文基于恩智浦的NJJ29C2A9HN5低頻驅動芯片，對芯片典型的失效案例進行分析，從芯片選型和裝配過程提出一些解決方案。

2" CEM LF天線驅動模塊的組成

該項目車型采用5個LF天線，車內2根天線，分別布置在副儀表臺和后排座椅下方，覆蓋車內區域（PS）；兩側前門門把手處分別布置一根天線，覆蓋前門外側區域（PE）；后保險杠中間部位布置一根天線，覆蓋保險杠下部區域。一般通過軟件仿真和實車標定，確保天線覆蓋內部溢出不超過50mm，外部溢出不超過150mm[2]。CEM根據高頻信號中每根天線的RSSI，結合內部的軟件算法及標定閾值判定鑰匙所處的位置，如圖2所示。

CEM的LF驅動芯片與MCU（TC399）采用SPI通信方式，MCU是Master Node，LF驅動芯片是Slave Node。MCU通過SPI通信方式向LF天線驅動芯片輸入命令，包括系統設置、天線驅動參數配置、數據傳輸等。在沒有連接LF天線時，通過調試工具讀取SPI數據，MCU發送CMD_NOP指令后，LF驅動芯片應立即響應RESP_GENERIC，如圖3所示，Response Data：C0 00 02 07 C0 18，通信數據解析見表1。

3" LF天線驅動芯片故障分析

該車型量產后經常有用戶反饋PKE功能失靈且無法啟動車輛，對返回的故障件進行分析，發現均為低頻驅動天線不工作，通過診斷服務讀取CEM故障碼，未顯示LF天線驅動回路相關故障，和實際故障表現不符合。一般情況下，如外部天線異常，LF天線驅動芯片內部的驅動電路會診斷為相關故障，包括天線開路、內部短路、外部短路、對電源短路、對地短路及驅動芯片故障等，但實際CEM并未存儲任何DTC。檢查芯片外圍電路正常后，使用調試工具觀察LF驅動芯片響應MCU的情況，發現出現故障的CEM LF驅動芯片均無應答，可以判斷該芯片已經損壞。

通過對LF驅動芯片工作電流進行分析，在12V VBAT條件下，故障樣品的電流僅為11μA，工作電流過低導致器件無法啟動，因此無法進入ERROR/IDLE模式。工作電流分析見表2。

委托供應商對芯片內部進行分析，故障是由電源管理單元內的供電模塊VDDP引起的。這種故障是由VDDP輸出晶體管的柵極-源極的泄漏導致。這種泄漏導致VDDP輸出晶體管的輸出電壓過低，造成器件無法成功啟動。圖4顯示了VDDP輸出晶體管上的異常熱點，異常熱點表示該晶體管上的泄漏。

參照芯片數據手冊分析，NJJ29C2A9HN5集成了DCDC Controller、電源管理模塊PM、LF Driver Supply、LF Antenna等模塊，如圖5所示。DCDC Controller控制外部的一個Boost電路，用以給LF Driver Supply模塊提供天線驅動所需的能量。LF Antenna Driver模塊是LF天線驅動模塊，根據MCU指令，按照特定的時序，驅動所有或部分天線，每個天線驅動通道都是一個全橋驅動電路，通過電流驅動外部天線產生125kHz低頻信號。PM模塊內部集成了VDDP和VDDD Regulators，給數字電路部分供電，其中VDDD Regulators給主要數字電路部分供電，VDDP Regulators給部分內核數字電路供電，故VDDP在CEM接通KL30后會一直工作。

分析車輛產線組裝過程工藝，車輛安裝過程中僅有2個前門安裝時，CEM帶電熱插拔操作，其他天線都是在蓄電池安裝前已連接好插接件。安裝車門時會首先連接車門線束，此時車門或操作員工攜帶的靜電會通過LF天線傳遞到CEM。正電荷通過LF Driver的Up Bridge CMOS管寄生二極管到達DCDC回路的儲能Cout電容后釋放，不會對驅動芯片產生損傷。而當靜電為負電荷時，與車身形成電位差，靜電荷通過LF Driver芯片的Down Bridge CMOS管寄生二極管到達車門，如果靜電能量很大，通過芯片的瞬間電流會很大，會造成VSS/VSSA產生地漂，導致內部的VDDP-VSS或VDDD-VSS超過3.5V（最大電壓2.5V），最終導致PM進入Latch-up狀態，此時VDDP Regulators更容易發生潛在損傷，如圖6所示。

Latch-up指CMOS晶片中在電源VDD和地線VSS之間由于寄生的PNP和NPN雙極性BJT相互影響而產生的低阻抗通路。以VDDP為例，根據LDO電路的特點，VDDP輸出穩定在1.8V，ILatch_up的增加導致VDDP電壓下降，為保持VDDP恒定，基準電壓Uref與取樣電壓Uin的差值增加，比較放大器輸出的驅動電壓Gdrv增加，CMOS管壓降減小，從而使輸出電壓升高。當ILatch_up=76mA，Gdrv會超出最大峰值4.5V，此時CMOS的功耗不斷上升，可能會觸發芯片過熱保護，如圖7所示。

因Main Digital Part或Digital Island發生了Latch Up，會導致通過Regulator的電流過大，尤其是VDDP Regulator在不斷開KL30的情況下無法恢復，如圖8所示。

分析芯片PM模塊VDDP Regulator的失效過程，如表3所示，在車門組裝過程中，靜電導致VDDP Regulator受到潛在損傷，在車輛使用過程中由潛在損傷突然過渡到立即損傷狀態，導致整個芯片功能失效。通過靜電試驗，在CEM上電狀態下，對開路的LF天線回路進行空氣放電試驗，放電電壓達到-25kV時會徹底損壞LF驅動芯片，損壞部位與圖4相同。

4" LF天線驅動芯片損傷解決方案

1）優化CEM軟件。因LF天線驅動芯片帶電狀態下天線開路時耐靜電能力較差，當沒有LF天線驅動任務時，此時盡量保持芯片在Low Power狀態下，此時VDDD處在不工作狀態，VDDP的損壞概率會降低。故LF驅動任務結束后，MCU通知LF驅動芯片從IDLE立即切換到Low Power狀態，以降低VDDP損壞的風險，如圖9所示。

2）增加靜電消除措施。對不同材質的門芯板進行靜電測量，發現材料較硬的材質攜帶靜電的概率非常高，而軟質門芯板靜電相對較低，對車門合裝區的車門移動工裝增加靜電釋放裝置，將車門門芯板上的靜電消除。同時將工裝操作把手改為帶靜電釋放功能的把手，分別消除車門和操作員工身體上的靜電，在連接車門與整車線束時，避免熱插拔靜電損傷低頻驅動芯片。經驗證可以基本遏制該問題。

3）硬件改進。針對新開發的產品，采用抗靜電能力更強的Atmel ATA5291芯片，可以徹底解決熱插拔導致的驅動芯片損壞問題。

5" 結論

通過對恩智浦NJJ29C2A9HN5芯片的特性研究，分析了整車廠車門線束連接過程熱插拔時靜電對芯片的潛在損傷，分別制定了用于生產現場和產品設計的最終解決方案，積累了芯片失效分析的方法，提升了產品的適應性和可靠性。

參考文獻：

[1] 張茂和. 一種無鑰匙進入和一鍵啟動系統（PEPS）設計方案[J]. 機電技術，2015（2）：90-94.

[2] 王洪武，王文建，馬謙，等. 基于FEKO的整車PEPS低頻天線工作有效性分析[J]. 安全與電磁兼容，2014（5）：63-67.

（編輯" 楊凱麟）