CN116572739A - 基于独立电源的xEV功能集成式电机控制器的上下电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于独立电源的xEV功能集成式电机控制器的上下电方法，用于实现电机控制器的上下电，包括步骤S1：电源转换芯片接收外部的唤醒电路输出的唤醒信号，并且判断唤醒信号有效时电源转换芯片被使能，从而将输入电源经过第一降压处理后获得第一输出电压并且为第一负载供电。本发明公开的基于独立电源的xEV功能集成式电机控制器的上下电方法，设计一套基于独立电源供电的硬件拓扑简单、功能灵活的低成本硬件电路方案，为多功能电机灵活控制上下电提供硬件基础。方案在不影响现有功能的基础上，简化了上下电电路结构，整体方案实现了降本增效的目标，易于量产推广。
Description
技术领域
本发明属于电机控制器上下电技术领域，具体涉及一种基于独立电源的xEV功能集成式电机控制器的上下电方法。
背景技术
汽车产业是国家重要经济支柱产业之一，随着环境问题的日渐突出，世界经济周期性下行、新能源汽车(xEV)成为改善出行方式和提振经济发展的重要手段。随着世界各国新能源汽车政策以及环境问题的推动和加持，新能源汽车产业及零部件应用技术正在高速发展过程中。
电驱逆变器是新能源汽车上的控制电机功率输出参数的零部件，其控制输出的电流带动电机工作，实现车辆运行和停止。目前新能源汽车驱动电机控制器一般采用英飞凌、NXP等MCU架构控制器芯片作为核心运算单元，此类MCU在工业、汽车领域已经有较长时间应用。此类芯片从晶圆、封测、测试等一般都处于全球调拨状态且价格昂贵，对新能源汽车及电机控制器成本存在缺货、性价比低等不利影响。
新能源汽车受供应链等影响，同时面临着成本压力日益增加的情况。本地化控制器芯片经过近年发展已经可以逐步满足电机驱动器等安全零件的使用。基于本地化控制器芯片的核心技术研究以及新技术方案的研究应用，可以不断降低新能源汽车产品开发和应用成本，降低供应风险，将成为推动新能源汽车继续发展的重要方向。
目前汽车电机控制器一般采用系统基础芯片(System Basis Chip，SBC)对MCU以及其它低压外设电路供电。SBC一般存在3-5路输出通道，每路电流输出能力大约在100mA～150mA，这样的电流输出能力可以满足一般汽车电子MCU的功率以及部分外设需求。
这种电源供电方案存在以下弊端：
1)SBC多路通道中的单路通道电流输出能力过低。随着集成化趋势，电气控制器外设的增加，以及其它MCU主频速率的增大，电源需求已经远远超过1A，SBC功率难以支持；
2)SBC价格昂贵，产品性价比低；
3)SBC一般只有英飞凌、NXP具有成熟量产产品，其受制于市场供求关系，用户常常面临SBC缺货的不可控风险。
因此，针对上述问题，予以进一步改进。
发明内容
本发明的主要目的在于提供基于独立电源的xEV功能集成式电机控制器的上下电方法，利用电源转换芯片供电的硬件电路拓扑：基于12V电平通过电源转换芯片降压得到5V电平，再由5V电平降压得到3.3V电平，最后借助MCU自带的DCDC模块转换得到0.8V电平为MCU内核供电；下电时，整车12V供电电源下电，5V、3.3V、0.8V电平随之下电，从而实现了一种高效、低成本的动力系统控制器的上下电方案。
本发明的另一目的在于提供基于独立电源的xEV功能集成式电机控制器的上下电方法，设计了一套基于独立电源供电的硬件拓扑简单、功能灵活的低成本硬件电路方案，为多功能电机灵活控制上下电提供硬件基础。方案在不影响现有功能的基础上，简化了上下电电路结构，避免了使用SBC芯片，不仅可以负荷单板日益增长的电流需求，而且灵活地集成了多种唤醒信号，整体方案实现了降本增效的目标，易于量产推广。
本发明的另一目的在于提供基于独立电源的xEV功能集成式电机控制器的上下电方法，上电过程中，通过唤醒电路使能电源转换芯片，为MCU及单板其他外设供电；下电时，使能信号丢失，MCU外设和内核依次下电，使得MCU的上下电逻辑得到进一步简化，避免了上下电过程引起的芯片多次复位对芯片使用寿命带来的潜在风险。
为达到以上目的，本发明提供一种基于独立电源的xEV功能集成式电机控制器的上下电方法，用于实现电机控制器的上下电，包括以下步骤：
步骤S1：电源转换芯片(即图中的电源1)接收外部的唤醒电路输出的唤醒信号，并且判断唤醒信号有效时电源转换芯片被使能，从而将输入电源(KL30，为蓄电池电压)经过第一降压处理后获得第一输出电压(5V电平)并且为第一负载供电，在第一输出电压的基础上建立第二电源(即图中的电源2)，以使得第二电源经过第二降压处理后获得第二输出电压(3.3V)并且为单片机的外设供电，并且在第二输出电压的基础上建立第三电源(即图中的电源3)，以使得第三电源经过第三降压处理后获得第三输出电源(0.8V)并且为单片机的内核供电，以使得单片机完成上电初始化；
步骤S2：单片机上电完成并且处于正常工作状态后，依次输出第一使能信号(EN-1)和第二使能信号(EN-2)，以完成驱动电源模块(即图中的电源4)使能并且实现驱动电源模块的电压输出和保护，从而完成系统上电；
步骤S3：当上电过程中唤醒信号无效(异常或者其他故障)时单片机进入下电流程，依次关断外设供电和内核供电，从而依次关断第二使能信号(EN-2)和第一使能信号(EN-1)并且在判断下电完成后完成系统下电(已经上电的电路按照上电次序依次下电休眠)。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，在步骤S1中：
输入电源(KL30，为蓄电池电压)通过防反电路接入到电源转换芯片的供电引脚(VIN)，以实现电源转换芯片的常供电；
唤醒电路的输出端接入到电源转换芯片的唤醒引脚(WAK)，并且使用或逻辑配合单片机实现通过不同唤醒信号(包括KL15、ACC、BPS、CAN等)对电源转换芯片发出使能信号，从而降压得到多种低压供电电平，进而对电机控制器进行唤醒。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，在步骤S2中：
输入电源(KL30，为蓄电池电压)通过防反电路和受控于第一使能信号的开关电路(受控于MCU输出的EN-1信号)接入到驱动电源模块，同时单片机通过第二使能信号对驱动电源模块进行控制，以实现驱动电源模块的电压输出和保护(驱动电源用于提供驱动功率，旋变激励放大电路的供电)，其中：
单片机上电完成处于正常工作状态后，输出第一使能信号并且电平稳定后，外部接口电路涉及包括传感器、风扇和水泵的外设上电完成；
单片机输出第二使能信号并且电平稳定后，驱动电源模块使能完成，从而完成旋变电路以及IGBT驱动电路的电源上电，进而完成电机控制器的上电流程。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，电源转换芯片的输出端与第二电源的输入端电性连接，并且第二电源的输出端一路与单片机电性连接，以实现电压转换为单片机的外设供电；
第二电源的输出端另一路与第三电源的输入端电性连接，并且所述第三电源的输出端与单片机电性连接，以实现电压转换为单片机的内核供电。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，第一负载包括VCU(VehicleControl Unit)电路、板内其他控制电路、NTC(Negative Temperature Coefficient)采样电路和驱动板的5V负载。
本发明的有益效果在于：
1)本发明在多功能集成式电机控制器产品中，设计了多级电源电路结构并集成了多路唤醒功能，保证了原有功能效果，利用独立电源实现了本身的硬线唤醒和负载供电。
2)根据新设计的电路结构同步设计了一种更简单的上下电硬件电路及硬线关断电路拓扑结构，降低了产品硬件成本，集成了更多功能。
3)本发明通过简化下电开关电路，避免了硬件复位带来的潜在失效隐患。
综上所述，本发明实现了硬件电路简化，降低物料成本，提升产品竞争力，提高系统的设计灵活性，可以满足整车厂要求。
附图说明
图1是本发明的基于独立电源的xEV功能集成式电机控制器的上下电方法的电路结构示意图。
图2是本发明的基于独立电源的xEV功能集成式电机控制器的上下电方法的流程示意图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
在本发明的优选实施例中，本领域技术人员应注意，本发明所涉及的电机控制器和输入电源等可被视为现有技术。
优选实施例。
本发明公开了一种基于独立电源的xEV功能集成式电机控制器的上下电方法，用于实现电机控制器的上下电，包括以下步骤：
步骤S1：电源转换芯片(即图中的电源1)接收外部的唤醒电路输出的唤醒信号，并且判断唤醒信号有效时电源转换芯片被使能，从而将输入电源(KL30，为蓄电池电压)经过第一降压处理后获得第一输出电压(5V电平)并且为第一负载供电，在第一输出电压的基础上建立第二电源(即图中的电源2)，以使得第二电源经过第二降压处理后获得第二输出电压(3.3V)并且为单片机的外设供电，并且在第二输出电压的基础上建立第三电源(即图中的电源3)，以使得第三电源经过第三降压处理后获得第三输出电源(0.8V)并且为单片机的内核供电，以使得单片机完成上电初始化；
步骤S2：单片机上电完成并且处于正常工作状态后，依次输出第一使能信号(EN-1)和第二使能信号(EN-2)，以完成驱动电源模块(即图中的电源4)使能并且实现驱动电源模块的电压输出和保护，从而完成系统上电；
步骤S3：当上电过程中唤醒信号无效(异常或者其他故障)时单片机进入下电流程，依次关断外设供电和内核供电，从而依次关断第二使能信号(EN-2)和第一使能信号(EN-1)并且在判断下电完成后完成系统下电(已经上电的电路按照上电次序依次下电休眠)。
具体的是，在步骤S1中：
输入电源(KL30，为蓄电池电压)通过防反电路接入到电源转换芯片的供电引脚(VIN)，以实现电源转换芯片的常供电；
唤醒电路的输出端接入到电源转换芯片的唤醒引脚(WAK)，并且使用或逻辑配合单片机实现通过不同唤醒信号(包括KL15、ACC、BPS、CAN等)对电源转换芯片发出使能信号，从而降压得到多种低压供电电平，进而对电机控制器进行唤醒。
更具体的是，在步骤S2中：
输入电源(KL30，为蓄电池电压)通过防反电路和受控于第一使能信号的开关电路(受控于MCU输出的EN-1信号)接入到驱动电源模块，同时单片机通过第二使能信号对驱动电源模块进行控制，以实现驱动电源模块的电压输出和保护(驱动电源用于提供驱动功率，旋变激励放大电路的供电)，其中：
单片机上电完成处于正常工作状态后，输出第一使能信号并且电平稳定后，外部接口电路涉及包括传感器、风扇和水泵的外设上电完成；
单片机输出第二使能信号并且电平稳定后，驱动电源模块使能完成，从而完成旋变电路以及IGBT驱动电路的电源上电，进而完成电机控制器的上电流程。
进一步的是，电源转换芯片的输出端与第二电源的输入端电性连接，并且第二电源的输出端一路与单片机电性连接，以实现电压转换为单片机的外设供电；
第二电源的输出端另一路与第三电源的输入端电性连接，并且所述第三电源的输出端与单片机电性连接，以实现电压转换为单片机的内核供电。
更进一步的是，第一负载包括VCU(Vehicle Control Unit)电路、板内其他控制电路、NTC(Negative Temperature Coefficient)采样电路和驱动板的5V负载。
如图1所示。
KL30为蓄电池电压，通过防反电路接入板内,实现单板的常供电。本发明通过梳理多功能集成式电机逆变器的低压供电需求，设计了合理的KL30降压路径。在上电唤醒电路中，采用“或”逻辑，设计了KL15、ACC、BPS、CAN等不同唤醒方式，对电源转换芯片发出使能信号，从而降压得到多种低压供电电平。
1)使用电源1，实现电压转换，由KL30降压得到5V电平，为VCU(Vehicle ControlUnit)电路以及板内其他控制电路、NTC(Negative Temperature Coefficient)采样电路以及驱动板的5V负载供电。
2)使用电源2，实现电压转换，由5V降压得到3.3V电平，为MCU(即单片机)外设供电。
3)利用MCU自身的DCDC模块，由3.3V降压得到0.8V电平的电源3，为MCU内核供电。
4)本设计使用KL30通过防反电路，连接到开关电路接入驱动电源模块，该开关电路受控于MCU输出的EN1信号；同时驱动电源模块还受到MCU输出的EN2控制，实现驱动电源电压输出和保护。驱动电源用于提供驱动功率，旋变激励放大电路的供电。
由此，简化的硬件电路结构，集成了多种唤醒源实现唤醒功能，使能电源转换芯片，依次得到所需低压电平，在实现相同功能的基础上，有效降低了硬件成本；
采用独立电源方案，增大了板内供电电流，可集成VCU等功能，实现整车控制决策监控，收集车辆运行状态信息，增强了控制器的安全性和可靠性。
如图2所示。
1)当接受到外部的唤醒信号时，电源电路1使能，输出5V电平，为VCU负载电路及其它5V负载供电；
2)电源电路1输出5V电平后，电源电路2使能，为MCU的3.3V外设供电；
3)电源电路2输出3.3V电平后，电源电路3使能，降压得到0.8V电平，为MCU的内核供电，MCU上电初始化；
4)MCU上电完成处于正常工作状态后，使能EN_1；EN1电平稳定后，外部接口电路涉及传感器及风扇、水泵等外设上电完成；
5)MCU使能EN_2，EN2电平稳定后，电源电路4使能完成，旋变电路以及IGBT驱动电路电源上电完成；至此电机控制器完成上电流程。
6)MCU上电完成后，可以实现对外部VCU负载关联的油门、刹车传感器供电；实现对外部负载的水泵、温度传感器供电；实现IGBT电流信号、电压信号采集功能，输出IGBT控制信号，完成对电机的正常控制功能。
7)若上电过程中出现唤醒信号异常或者其它故障，MCU会进入下电流程，依次关断外设负载及内核。若MCU还未上电完成即出现唤醒信号异常或者其它故障，则已经上电的电路按照上电次序依次下电休眠。
由此，上电控制过程可以匹配本方案的硬件设计结构，实现上电过程的流程简化，大大缩短上电时间，提高了用户体验；
下电过程匹配本硬件设计结构，实现了图2的下电流程。软件上可以实现灵活操作，应用层软件检测到唤醒丢失，给底层软件发下电指令，直至底层软件下电，为MCU提供了灵活的延时下电延时时间。
本发明通过设计各电路之间的上下电逻辑，有序使能所有电路电源，实现全面低压电路监控和诊断的同时，保证了所有电路工作的稳定性。本发明上电时的优势在于由外部开关电路开通电源，省去SBC，降低了成本；其明显优势体现在下电，通过外部开关电路关断电源实现下电，降低了多次复位动作对硬件带来的潜在失效风险。这种上下电方案，简化了控制器系统上下电逻辑、节约了电路设计硬件成本、解决了芯片供应风险问题、提升了用户体验，优化了上电初始化时间过长的问题。
值得一提的是，本发明专利申请涉及的电机控制器和输入电源等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。
对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于独立电源的xEV功能集成式电机控制器的上下电方法，用于实现电机控制器的上下电，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：电源转换芯片接收外部的唤醒电路输出的唤醒信号，并且判断唤醒信号有效时电源转换芯片被使能，从而将输入电源经过第一降压处理后获得第一输出电压并且为第一负载供电，在第一输出电压的基础上建立第二电源，以使得第二电源经过第二降压处理后获得第二输出电压并且为单片机的外设供电，并且在第二输出电压的基础上建立第三电源，以使得第三电源经过第三降压处理后获得第三输出电源并且为单片机的内核供电，以使得单片机完成上电初始化；
步骤S2：单片机上电完成并且处于正常工作状态后，依次输出第一使能信号和第二使能信号，以完成驱动电源模块使能并且实现驱动电源模块的电压输出和保护，从而完成系统上电；
步骤S3：当上电过程中唤醒信号无效时单片机进入下电流程，依次关断外设供电和内核供电，从而依次关断第二使能信号和第一使能信号并且在判断下电完成后完成系统下电。
2.根据权利要求1所述的一种基于独立电源的xEV功能集成式电机控制器的上下电方法，其特征在于，在步骤S1中：
输入电源通过防反电路接入到电源转换芯片的供电引脚，以实现电源转换芯片的常供电；
唤醒电路的输出端接入到电源转换芯片的唤醒引脚，并且使用或逻辑配合单片机实现通过不同唤醒信号对电源转换芯片发出使能信号，从而降压得到多种低压供电电平，进而对电机控制器进行唤醒。
3.根据权利要求2所述的一种基于独立电源的xEV功能集成式电机控制器的上下电方法，其特征在于，在步骤S2中：
输入电源通过防反电路和受控于第一使能信号的开关电路接入到驱动电源模块，同时单片机通过第二使能信号对驱动电源模块进行控制，以实现驱动电源模块的电压输出和保护，其中：
单片机上电完成处于正常工作状态后，输出第一使能信号并且电平稳定后，外部接口电路涉及包括传感器、风扇和水泵的外设上电完成；
单片机输出第二使能信号并且电平稳定后，驱动电源模块使能完成，从而完成旋变电路以及IGBT驱动电路的电源上电，进而完成电机控制器的上电流程。
4.根据权利要求3所述的一种基于独立电源的xEV功能集成式电机控制器的上下电方法，其特征在于，电源转换芯片的输出端与第二电源的输入端电性连接，并且第二电源的输出端一路与单片机电性连接，以实现电压转换为单片机的外设供电；
第二电源的输出端另一路与第三电源的输入端电性连接，并且所述第三电源的输出端与单片机电性连接，以实现电压转换为单片机的内核供电。
5.根据权利要求4所述的一种基于独立电源的xEV功能集成式电机控制器的上下电方法，其特征在于，第一负载包括VCU电路、板内其他控制电路、NTC采样电路和驱动板的5V负载。
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