CN104608711B - 一种车辆控制器电源电路拓扑结构及电源管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种车辆控制器电源电路拓扑结构及电源管理方法，电源电路拓扑结构主要由12v供电系统、5v供电系统、12vto5v DC/DC、上下电管理电路、电源状态及故障诊断单元电路以及主控单元构成，12v供电系统提供12v常电和12v可控电；5v供电系统提供5V常电和5V可控电；所述电源上下电管理电路包括12v供电系统上下电管理电路和5v供电系统上下电管理电路，其上下电管理电路根据上下电控制信号来源不同，分为外部控制上下电管理电路和内部控制上下电管理电路。本发明解决了现有车辆控制器所存在的主芯片和外部传感器供电隔离问题，以及上下电管理不合理导致的功能局限性问题。
Description
技术领域
本发明涉及汽车电子电器领域，提供了一种车辆控制器电源模块硬件电路方案。
背景技术
目前，已完成16bit车辆控制器的研发工作，现已在S11EV/S18EV等车型上成功搭载，在针对车辆控制的PV测试过程中发现16bit车辆控制器存在如下不足:1、当进行传感器电源输入引脚短电源诊断测试时，出现单片机烧坏事故；2、目前大多新能源车型都没有开发睡眠唤醒网络功能，故在16bit控制器开发初，没有开发睡眠唤醒功能，而电源12V上电管理只有IGNITION单引脚控制，导致充电时无法进行电源上电，无法在车辆充电时实现远程空调功能，在S15EV车型上就遇到了这样的功能局限问题。针对以上存在的不足，通过事件分析、技术研讨、解决方案议定，最终通过对车辆控制器电源模块硬件结构进行优化设计以得到解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种车辆控制器电源模块硬件电路拓扑方案，解决现有车辆控制器所存在的主芯片和外部传感器供电隔离问题，以及上下电管理不合理导致的功能局限性问题。
本发明提供一种车辆控制器电源电路拓扑结构，其主要由12v供电系统、5v供电系统、12vto5vDC/DC、上下电管理电路、电源状态及故障诊断单元电路以及主控单元构成，12v供电系统提供12v常电和12v可控电；5v供电系统提供5V常电和5V可控电；所述电源上下电管理电路包括12v供电系统上下电管理电路和5v供电系统上下电管理电路，其上下电管理电路根据上下电控制信号来源不同，分为外部控制上下电管理电路和内部控制上下电管理电路；所述12v供电系统上下电管理电路包括12v常电与可控电分路隔离电路和12v可控电上下电控制电路；所述5v供电系统上下电管理电路包括5V传感器供电上下电控制电路和5V可控电上下电控制电路。
其中，12v供电系统的上下电由点火信号、慢充使能、快充使能和主控单元主动控制信号中的其中一个独立管理控制；5v供电系统上下电由主控单元单独管理控制，且5V可控电和5v传感器供电能够独立管理控制和保护。
其中，所述12v供电系统包括12v滤波电路、12v上下电控制执行电路以及车辆控制器上12v电压等级用电回路，其主要完成对蓄电池EMC电源的电源滤波、12v电源上下电、以及为控制器外围回路提供12v电压。
其中，所述5v供电系统包括5v去耦及滤波电路、5v上下电执行电路、以及车辆控制器上5v等级集成器件或用电回路。
其中，电源状态及故障诊断电路和主控电路共同完成电路模块的电源状态及故障诊断功能，主控单元通过电源状态及故障诊断电路实时监测12v常电、12v可控电、5V常电、5V可控电、5v模拟供电、5V传感器供电电压值，然后根据实测值及预定诊断策略对12v供电系统和5v供电系统进行上下电管理控制。
其中，电源状态及故障诊断电路由PG1~10监测单元电路组成，且每一监测单元电路都是相互独立的。
本发明还公开了采用上述车辆控制器电源电路拓扑结构进行电源管理的方法，分如下三种情况进行管理：
1）、当外部硬件唤醒部件未发出上电唤醒信号时，车辆控制器电源模块只会输出12v常电和5V常电，然后5V常电供给到主芯片最小单元电路、从芯片最小单元电路、硬件看门狗电路、主can通讯电路、以及其他5v电压等级模块电路，此时主芯片工作于低功耗模式；
2）、当外部硬件唤醒部件未发出上电唤醒信号，但钥匙开关在ACC档时，车辆控制器电源模块只会输出12v常电和5V常电,同时主控单元驱动5v供电管理电路将5V可控电供电回路打开。然后5V常电供给到主芯片最小单元电路、从芯片最小单元电路、硬件看门狗电路、主can通讯电路、以及其他5v电压等级模块电路；此时主芯片采集到acc信号有效，则主芯片内核程序马上由睡眠模式跳转为正常工作模式，主芯片外围端口被唤醒，主芯片软件程序正常运行，主can通讯功能正常驱动。
3）、当外部硬件唤醒部件发出上电唤醒信号，且电源供电系统无故障，且上下电管理电路正常时，车辆控制器电源模块会输出12v常电、12v可控电、5V常电、5V可控电、主芯片5v模拟供电和5v传感器供电，此时车辆控制器所有模块皆处于上电工作状态。
其中，在第2）种情况下，当主芯片检测到蓄电池输入电压值超出安全电压阈值，或低于一定阈值，且5v供电系统供电皆正常时，则主芯片进行12V 供电过压或欠压故障诊断和存储，并将12v供电系统不可信故障标识置位，同时将此故障上报到应用层软件进行系统诊断和点亮故障灯；当检测到12v可控电供电正常，但5V常电或5v模拟供电电压超出或低于一定阈值，则主芯片进行5V 供电过压或欠压故障诊断和存储，并将5v常电供电系统不可信故障标识置位，同时将此故障上报到应用层软件进行系统诊断和点亮故障灯。
其中，在第3）种情况下，当主芯片检测到蓄电池输入电压值超出安全电压阈值，或低于一定阈值，且5v供电系统供电皆正常时，则主芯片立即驱动12v供电管理电路，断开12v可控电供电，同时进行12V 供电过压或欠压故障诊断和存储，并将12v供电系统不可信故障标识置位，同时将此故障上报到应用层软件进行系统诊断和点亮故障灯。
其中，在所述三种情况的任一种情况下，从芯片会实时监测主芯片健康状态和实时软件校验，当从芯片检测到主芯片发生软件跑飞或软件运算错误或其他失效时，从芯片则会对主芯片做出故障诊断和故障存储及上报。
本发明提供的车辆控制器电源模块硬件电路方案，不仅规避了16bit控制器存在的外部传感器供电输出短电源时烧坏主芯片风险问题，而且使得12v和5v电源上下电管理更加完善。
附图说明
图1为车辆控制器电源模块工作原理；
图2为车辆控制器电源模块结构拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述。
参见图1、2可知，本发明所述的车辆控制器电源电路系统主要由12v供电系统、5v供电系统、12vto5vDC/DC、电源上下电管理电路、电源状态及故障诊断电路、以及主控单元构成。主控单元包括主芯片最小单元电路（包括主芯片及外围电路）和从芯片最小单元电路（包括从芯片及外围电路），下面就各个部分依次说明。
所述12v供电系统提供12v常电（12v_FILTERED）、12v可控电（12V_SWITCH），包括12v滤波电路、12v上下电控制执行电路、以及车辆控制器上12v电压等级用电回路（如低有效数字量采集输入电路、高边驱动输出电路、以及12vPWM驱动输出电路等），其主要完成对蓄电池EMC电源的电源滤波、12v电源上下电、以及为控制器外围回路提供12v电压。
所述5v供电系统提供5V常电（5v_code）和5V可控电（5v_switch），包括5v去耦及滤波电路、5v上下电执行电路、以及车辆控制器上5v电压等级用电回路（如can通讯电路、模拟量采集电路、主芯片和安全监控芯片、硬件看门狗电路、外部传感器供电隔离和输出电路、以及5vPWM驱动输出电路等）。
所述12vto5vDC/DC主要功能是实现12v到5v电压转换，为5v供电系统提供电源输入，可以采用目前常用的汽车级电源DCDC芯片（如on公司的TLE4275、LM2757、LM7805等），根据车辆控制器额定工作电流情况选择合适型号的芯片。
12vto5v DC/DC提供5v模拟供电（5v_AN3），5v模拟供电（5v_AN3）提供给主从芯片，5v供电系统提供5v传感器供电（5V_AN1/5v_AN2）。
所述电源上下电管理电路又包括12v供电系统上下电管理电路和5v供电系统上下电管理电路，其上下电管理电路根据上下电控制信号来源不同，分为外部控制上下电管理电路和内部控制上下电管理电路。所述的外部控制主要包括钥匙点火信号控制（钥匙IGNITION）、快充上电使能控制、以及慢充上电使能控制等；内部控制主要指由主芯片和安全监控芯片实施的控制指令。
所述电源状态及故障诊断单元电路（也叫power good监测电路），该电路模块的电源状态及故障诊断实际上是由电源状态及故障诊断单元电路和主控单元完成功能，主控单元通过电源状态及故障诊断电路实时监测12v常电（12v_FILTERED）、12v可控电（12V_SWITCH）、5V常电（5v_code）、5V可控电（5v_switch）、5v模拟供电（5v_AN3）、5v传感器供电（5V_AN1/5v_AN2）电压值进行检测，然后根据实测值及预定诊断策略对12v供电系统和5v供电系统进行上下电管理控制。其主要是通过主芯片实时监测12v供电系统、5v供电系统、以及DC/DC的健康状态，为车辆控制器系统故障诊断功能提供支持，且可作为底层驱动程序以及应用层软件开发功能优化之需要。
以上所述的电源状态及故障诊断单元电路监测功能脚与电源模块电源等级对应说明如下（请参见图2所示），电源状态及故障诊断电路由PG1~10监测单元电路组成，且每一监测单元电路都是相互独立的。其中PG1是对12v_FILTERED的电压监测信号， PG2是对12V_SWITCH的电压监测信号， PG3是对12V to 5v_switch 电压调节器调节后的电压监测信号，PG4是对5v_SWITCH电压监测信号，PG5是对DCP010505BP-U隔离前5v_AN1的电压监测信号，PG6是对DCP010505BP-U隔离前5v_AN2的电压监测信号，PG7是对5v_code的电压监测信号，PG8是对5v_AN3的电压监测信号，PG9是对DCP010505BP-U隔离后5v_AN1的电压监测信号，PG10是对DCP010505BP-U隔离后5v_AN2的电压监测信号。
所述电源工作原理参见图1、图2，其具体电源工作原理说明如下：首先车辆控制器电能来源于整车12v蓄电池，蓄电池电源30节点正常接入车辆控制器后，电源模块根据整车上电环境和车辆控制器软件控制策略进行相应的电源管理，具体分以下几种情况进行分述：
1、当外部硬件唤醒部件（指钥匙开关和充电机硬件唤醒）未发出上电唤醒信号（如钥匙开关IGNITION信号、慢充上电使能信号、或快充使能信号）时，车辆控制器电源模块只会输出12v常电(12v_filtered)和5V常电（5v_code），然后5V常电供给到主芯片最小单元电路、从芯片最小单元电路、硬件看门狗电路（此时硬件看门狗电路虽然供电正常，但由于5V_switch电未输出，硬件看门狗功能被屏蔽）、主can通讯电路（一般车辆控制器设计有多路can通讯电路，而且根据功能不同，电路电源也不同，为说明方便，在此将其分为主通讯电路CAN_A和副通讯回路CAN_B&CAN_C）、以及其他5v电压等级模块电路，而且此时主芯片工作于低功耗模式，目的是降低整车静态功耗；
2、当外部硬件唤醒部件未发出上电唤醒信号，但钥匙开关在ACC档时，车辆控制器电源模块只会输出12v常电(12v_filtered)和5V常电（5v_code）,同时主芯片驱动5v供电管理电路将5V可控电（5v_switch）供电回路打开。然后5V常电供给到主芯片最小单元电路、从芯片最小单元电路、硬件看门狗电路（此时5v_switch供给到硬件看门狗，将硬件看门狗功能激活，硬件看门狗可实现正常功能）、主can通讯电路（一般车辆控制器设计有多路can通讯电路，而且根据功能不同，电路电源也不同，为说明方便，在此将其分为主can通讯电路和副can通讯回路）、以及其他5v电压等级模块电路。此时主芯片采集到acc信号有效，则主控片内核程序马上由睡眠模式跳转为正常工作模式，主芯片外围端口被唤醒，主芯片软件程序正常运行，主can通讯功能正常驱动。
基于该第2种情况下（也即主芯片软件被唤醒，由低功耗模式跳转到正常模式），此时当主芯片检测到蓄电池输入电压（也即12v_FILTERED供电）电压值超出安全电压阈值（一般取阈值为16v），或低于一定阈值（一般取阈值为9v），且5v供电系统供电皆正常时，则主芯片进行12V供电过压或欠压故障诊断和存储，并将12v供电系统不可信故障标识置位，同时将此故障上报到应用层软件进行系统诊断和点亮故障灯；当检测到12v_FILTERED供电正常，但5v_code或5v_AN3电压超出或低于一定阈值（具体根据设计者进行计算定义），则主芯片进行5V供电过压或欠压故障诊断和存储，并将5v常电供电系统不可信故障标识置位，同时将此故障上报到应用层软件进行系统诊断和点亮故障灯；
3、当外部硬件唤醒部件发出上电唤醒信号（如钥匙开关IGNITION信号、慢充上电使能信号、或快充使能信号），且电源供电系统无故障，且上下电管理电路正常时，车辆控制器电源模块会输出12v常电(12v_filtered)、12v可控电(12_switch)、5V常电（5v_code）、5V可控电（5v_switch）、主芯片5v模拟供电和5v传感器供电，此时车辆控制器所有模块皆处于上电工作状态（包括数字量采集电路、模拟量采集电路、PWM采集数字量驱动电路、PWM驱动电路、CAN_A\CAN_B\CAN_C等）。
基于第（3）种情况下，当主芯片检测到蓄电池输入电压（也即12v_FILTERED供电）电压值超出安全电压阈值（一般取阈值为16v），或低于一定阈值（一般取阈值为9v），且5v供电系统供电皆正常时，则主芯片立即驱动12v供电管理电路，断开12v可控电(12_switch供电，同时进行12V 供电过压或欠压故障诊断和存储，并将12v供电系统不可信故障标识置位，同时将此故障上报到应用层软件进行系统诊断和点亮故障灯。
基于该第3种情况下，当主芯片检测到12v_FILTERED供电正常，但5v_code或5v_AN3电压超出或低于一定阈值（具体根据设计者进行计算定义），则主芯片进行5V 供电过压或欠压故障诊断和存储，并将5v常电供电系统不可信故障标识置位，同时将此故障上报到应用层软件进行系统诊断和点亮故障灯；当检测到12v_FILTERED供电、5v_code和5v_AN3均正常，但5v_switch电压超出或低于一定阈值（具体根据设计者进行计算定义），且5V_AN1和5V_AN2也同步出现以上电压异常，则主芯片进行5V 供电过压或欠压故障诊断和存储，并将5v可控供电系统不可信（一般该问题定位于12v to 5v_switch 电压调节器出现本体不良）故障标识置位，同时将此故障上报到应用层软件进行系统诊断和点亮故障灯；当检测到12v_FILTERED供电、5v_code、5v_AN3、5v_switch和隔离前5v_AN1\ AN2均正常，但此时监测到隔离后5v_AN1和5v_AN2中某一路或二者皆为电压超出或低于一定阈值（具体根据设计者进行计算定义），证明此时已经出现5v传感器供电输出引脚短电源或短地故障，则此时主芯片立即驱动5v供电系统管理电路，断开5v_AN1和5v_AN1，防止外部短电源或短地对车辆控制器电源系统造成无法预知的损坏。同时主芯片会进行5V 供电过压或欠压故障诊断和存储，并将5v传感器供电输出短高或短地故障标识置位，同时将此故障上报到应用层软件进行系统诊断和点亮故障灯；当检测到12v_FILTERED供电、5v_code、5v_AN3均正常，但同时监测到隔离后5v_AN1和5v_AN2中某一路或二者皆为电压超出或低于一定阈值，且5v_switch和隔离前5v_AN1\ AN2电压出现与隔离后5v_AN1、5v_AN2同步异常，证明此时已出现5v传感器供电输出引脚短电源或短地故障，而且DCP010505BP-U芯片隔离功能已失效，则主芯片会立即驱动5v供电系统管理电路，断开5v_AN1、5v_AN1和5v_switch供电，对车辆控制器电源系统实施保护。同时主芯片会进行5V 供电过压或欠压故障诊断和存储，并将5v传感器供电输出短高或短地故障和隔离失效故障标识同时置位，并将此故障上报到应用层软件进行系统诊断和点亮故障灯。
4、在以上3种情况的任一种情况下，从芯片会实时监测主芯片健康状态和实时软件校验，当从芯片检测到主芯片发生软件跑飞或软件运算错误或其他失效时，从芯片则会对主芯片做出故障诊断和故障存储及上报。这也是车辆控制安全标准需要。
Claims (10)
1.一种车辆控制器电源电路拓扑结构，其特征在于：其主要由12v供电系统、5v供电系统、12vto5vDC/DC、上下电管理电路、电源状态及故障诊断单元电路以及主控单元构成，12v供电系统提供12v常电和12v可控电；5v供电系统提供5V常电和5V可控电；所述电源上下电管理电路包括12v供电系统上下电管理电路和5v供电系统上下电管理电路，其上下电管理电路根据上下电控制信号来源不同，分为外部控制上下电管理电路和内部控制上下电管理电路；所述12v供电系统上下电管理电路包括12v常电与可控电分路隔离电路和12v可控电上下电控制电路；所述5v供电系统上下电管理电路包括5V传感器供电上下电控制电路和5V可控电上下电控制电路。
2.根据权利要求1所述的车辆控制器电源电路拓扑结构，其特征在于：12v供电系统的上下电由点火信号、慢充使能、快充使能和主控单元主动控制信号中的其中一个独立管理控制；5v供电系统上下电由主控单元单独管理控制，且5V可控电和5v传感器供电能够独立管理控制和保护。
3.根据权利要求1或2所述的车辆控制器电源电路拓扑结构，其特征在于：所述12v供电系统包括12v滤波电路、12v上下电控制执行电路以及车辆控制器上12v电压等级用电回路，其主要完成对蓄电池EMC电源的电源滤波、12v电源上下电、以及为控制器外围回路提供12v电压。
4.根据权利要求1或2所述的车辆控制器电源电路拓扑结构，其特征在于：所述5v供电系统包括5v去耦及滤波电路、5v上下电执行电路、以及车辆控制器上5v等级集成器件或用电回路。
5.根据权利要求1或2所述的车辆控制器电源电路拓扑结构，其特征在于：电源状态及故障诊断电路和主控电路共同完成电路模块的电源状态及故障诊断功能，主控单元通过电源状态及故障诊断电路实时监测12v常电、12v可控电、5V常电、5V可控电、5v模拟供电、5V传感器供电电压值，然后根据实测值及预定诊断策略对12v供电系统和5v供电系统进行上下电管理控制。
6.根据权利要求1或2所述的车辆控制器电源电路拓扑结构，其特征在于：电源状态及故障诊断电路由PG1~10监测单元电路组成，且每一监测单元电路都是相互独立的。
7.采用权利要求1-6任一项所述的车辆控制器电源电路拓扑结构进行电源管理的方法，其特征在于，分如下三种情况进行管理：
1）、当外部硬件唤醒部件未发出上电唤醒信号时，车辆控制器电源模块只会输出12v常电和5V常电，然后5V常电供给到主芯片最小单元电路、从芯片最小单元电路、硬件看门狗电路、主can通讯电路、以及其他5v电压等级模块电路，此时主芯片工作于低功耗模式；
2）、当外部硬件唤醒部件未发出上电唤醒信号，但钥匙开关在ACC档时，车辆控制器电源模块只会输出12v常电和5V常电,同时主控单元驱动5v供电管理电路将5V可控电供电回路打开；
然后5V常电供给到主芯片最小单元电路、从芯片最小单元电路、硬件看门狗电路、主can通讯电路、以及其他5v电压等级模块电路；此时主芯片采集到acc信号有效，则主芯片内核程序马上由睡眠模式跳转为正常工作模式，主芯片外围端口被唤醒，主芯片软件程序正常运行，主can通讯功能正常驱动；
3）、当外部硬件唤醒部件发出上电唤醒信号，且电源供电系统无故障，且上下电管理电路正常时，车辆控制器电源模块会输出12v常电、12v可控电、5V常电、5V可控电、主芯片5v模拟供电和5v传感器供电，此时车辆控制器所有模块皆处于上电工作状态。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：在第2）种情况下，当主芯片检测到蓄电池输入电压值超出安全电压阈值，或低于一定阈值，且5v供电系统供电皆正常时，则主芯片进行12V 供电过压或欠压故障诊断和存储，并将12v供电系统不可信故障标识置位，同时将此故障上报到应用层软件进行系统诊断和点亮故障灯；当检测到12v可控电供电正常，但5V常电或5v模拟供电电压超出或低于一定阈值，则主芯片进行5V 供电过压或欠压故障诊断和存储，并将5v常电供电系统不可信故障标识置位，同时将此故障上报到应用层软件进行系统诊断和点亮故障灯。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：在第3）种情况下，当主芯片检测到蓄电池输入电压值超出安全电压阈值，或低于一定阈值，且5v供电系统供电皆正常时，则主芯片立即驱动12v供电管理电路，断开12v可控电供电，同时进行12V 供电过压或欠压故障诊断和存储，并将12v供电系统不可信故障标识置位，同时将此故障上报到应用层软件进行系统诊断和点亮故障灯。
10.根据权利要求7-9任一项所述的方法，在所述三种情况的任一种情况下，从芯片会实时监测主芯片健康状态和实时软件校验，当从芯片检测到主芯片发生软件跑飞或软件运算错误或其他失效时，从芯片则会对主芯片做出故障诊断和故障存储及上报。
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