ZHCT944 June 2025 TPS7B4255-Q1
加速踏板/制動(dòng)踏板原理簡(jiǎn)介
駕駛員踩下加速踏板后，加速踏板位置傳感器會(huì)將駕駛員踩下的深度信息發(fā)送給整車控制器(VCU)，然后由整車控制器分析判斷后，傳送給電驅(qū)控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)加減速的功能。
加速踏板傳感器主要有可變電阻式加速踏板位置傳感器和霍爾式加速踏板位置傳感器，常見(jiàn)的踏板傳感器供電電壓為5V。
可變電阻式加速踏板位置傳感器
可變電阻式踏板內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)如下圖所示，可變電阻式加速踏板位置傳感器在圖中1的位置，內(nèi)部控制電路如下圖2(a)所示。踏板的行程變化帶動(dòng)可變電阻器阻值的變化，從而使VPA和VPA2在工作電壓范圍內(nèi)線性變化。其中，VPA信號(hào)可以反映加速踏板踩下全程范圍的線性變化，VPA2信號(hào)是相對(duì)VPA有固定偏置的電壓信號(hào)，一旦發(fā)現(xiàn)兩信號(hào)之差或之和與標(biāo)準(zhǔn)值不符，則判定為傳感器有故障。為保證信號(hào)的可靠性，兩個(gè)電位器的電路完全獨(dú)立，因此采用獨(dú)立的電源供電VCP1和VCP2。
圖 1 可變電阻式加速踏板位置傳感器
圖 2 (a) 控制電路 
圖 3 (b) 輸出特性可變電阻式加速踏板位置傳感器控制電路和輸出特性
霍爾式加速踏板內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳感器位置如圖3所示，內(nèi)部控制電路如下圖4所示。與可變電阻式位置傳感器相比，除了采用霍爾效應(yīng)采樣原理的區(qū)別之外，其他類似，也有兩路獨(dú)立的傳感器電路?？勺冸娮枋教ぐ逦恢脗鞲衅饔捎诮佑|式的緣故容易磨損，也存在接觸不良的弊端，這就成為了霍爾式這種非接觸式踏板位置傳感器的優(yōu)點(diǎn)。
圖 4 霍爾式加速踏板位置傳感器
圖 5 (a) 控制電路 
圖 6 (b) 輸出特性 霍爾式加速踏板位置傳感器控制電路和輸出特性
加速踏板/制動(dòng)踏板信號(hào)輸入需求
在汽車應(yīng)用中，加速踏板/制動(dòng)踏板信號(hào)一般會(huì)輸入到整車控制器VCU端進(jìn)行控制處理，進(jìn)一步下發(fā)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如電驅(qū)控制器執(zhí)行控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的指令。如今，由于中央集成域控架構(gòu)的興起，越來(lái)越多的汽車制造商把VCU集成在區(qū)域控制器、網(wǎng)關(guān)控制器或者動(dòng)力域控制器中。
由第一節(jié)踏板傳感器原理介紹可知，常見(jiàn)的踏板傳感器供電需求是5V，為了保證傳感器電路的可靠性，每個(gè)踏板內(nèi)部有兩個(gè)獨(dú)立的控制電路，意味著，考慮到加速踏板和制動(dòng)踏板，需要由VCU提供4路5V電源給到踏板傳感器以及4路來(lái)自于傳感器的采樣信號(hào)輸入到VCU端。
加速/制動(dòng)踏板信號(hào)的可靠性關(guān)系到駕駛員和乘客的舒適性體驗(yàn)和安全，踏板信號(hào)采集和傳輸上面會(huì)有功能安全和傳輸速度的需求，一般為ASIC C等級(jí)。 對(duì)供電部分、輸入信號(hào)部分的診斷和保護(hù)提出了更高的要求。另外，電源和傳感器輸入信號(hào)相對(duì)于VCU來(lái)說(shuō)都是通過(guò)連接器和外部線束連接的外部信號(hào)，在整車安裝過(guò)程中，存在短路到電源和短路到地的風(fēng)險(xiǎn)，因此，對(duì)于5V電源和輸入信號(hào)來(lái)說(shuō)，在VCU端需要滿足短路到12V電池和短路到地的診斷和保護(hù)。在VCU端，輸入信號(hào)有大量的傳感器和其他相同類型的模擬或數(shù)字信號(hào)，客戶從節(jié)省MCU IO資料的角度考慮，會(huì)采用Multiplexer、IO expandar或者M(jìn)SDI的方案，但是由于踏板信號(hào)的功能安全和傳輸速度方面的需求，往往都會(huì)直接采取獨(dú)立輸入到MCU ADC口的方式，下文針對(duì)5V電源和VCU端踏板輸入信號(hào)的需求作了詳細(xì)介紹并推薦了相關(guān)方案。
加速踏板/制動(dòng)踏板信號(hào)方案推薦
5V 電源推薦
為了保證踏板傳感器信號(hào)高精度的需求，需要盡量保持與MCU ADC電源電壓一致，一般推薦用track LDO方案。由于該電源需要通過(guò)板外的電源線纜連接到踏板傳感器端，考慮到在汽車生產(chǎn)安裝過(guò)程中容易發(fā)生短路到電源或者地的情況，該電源需要具備一定的保護(hù)診斷能力。
一般推薦tracking LDO用于踏板或其他離板傳感器的電源，TI tracking LDO的明星產(chǎn)品為TPS7B4255-Q1，圖5為典型應(yīng)用框圖。該產(chǎn)品支持3V到40V的輸入電壓范圍，可直接從12V蓄電池接入，tracking tolerance在全溫全負(fù)載范圍內(nèi)最大誤差僅為5mV，并且集成短路到電源或地的保護(hù)。
在一些常用的MCU中，也有部分ADC參考基準(zhǔn)電壓在3.3V、1.8V等級(jí)，比踏板傳感器的5V供電要小。TI的tracking LDO TPS7B4255-Q1，也集成FB反饋引腳，支持輸出電壓大于參考電壓的應(yīng)用場(chǎng)景。
圖 7 TPS7B4255-Q1典型應(yīng)用框圖輸入模擬信號(hào)調(diào)理方案推薦
加速/制動(dòng)踏板傳感器模擬信號(hào)范圍一般為0V到5V，在第2節(jié)中提到，踏板傳感器模擬信號(hào)會(huì)采取獨(dú)立輸入到MCU ADC端口的方式。常見(jiàn)MCU ADC參考電壓為5V, 3.3V以及1.8V，5V 輸入范圍的ADC可直接支持踏板傳感器信號(hào)的輸入，3.3V和1.8V輸入范圍的ADC，一般需要先通過(guò)外部分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，分壓電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻考慮到損耗的問(wèn)題，一般會(huì)選取kohm級(jí)別的電阻，如下圖所示以輸入范圍0.4V到4.4V的踏板傳感器信號(hào)以及1.8V ADC為例。一般MCU內(nèi)部集成的ADC為SAR ADC，為了保證采樣的精度，SAR ADC在輸入端需要考慮阻抗匹配的問(wèn)題，因此在前端與分壓電阻網(wǎng)絡(luò)之間推薦加一級(jí)緩沖器電路。該緩沖器電路的選型上需要考慮帶寬、offset、input bias current等影響精度的參數(shù)外，還需要結(jié)合SAR ADC輸入端的采樣保持電路綜合考慮。
一般來(lái)說(shuō)，SAR ADC前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，包含兩部分，一部分就是提供低輸入阻抗的緩沖器，另一部分是RC濾波器。RC濾波器提供輸入信號(hào)的噪聲濾波，也幫助衰減ADC輸入端中開(kāi)關(guān)電容的反沖影響。TI提供了一個(gè)簡(jiǎn)單又實(shí)用的工具來(lái)幫助客戶更快速的選取合適的運(yùn)放和RC濾波器，可以從(https://www.ti.com/tool/ANALOG-ENGINEER-CALC)鏈接中下載，只需要輸入SAR ADC的分辨率、量程、ADC采樣保持等效電容值以及捕獲時(shí)間就可以得到運(yùn)放選型所需要的帶寬及其濾波器的參數(shù)，圖6為一個(gè)實(shí)例。
圖 8 Analog engineer SAR ADC
驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)推薦在選取了合適的緩沖器和濾波電路之后，由前面提到，板外輸入信號(hào)還需要考慮短路到電源的風(fēng)險(xiǎn)，12V 電池系統(tǒng)工作電壓為9V到16V，以圖7所示為例，經(jīng)過(guò)電阻分壓后短路到電源的電壓為3V到5.4V，為更好的匹配ADC采樣精度，緩沖器供電電壓一般選取ADC的供電電壓，該例子中為1.8V，而短路到電源的最大電壓超過(guò)了緩沖器電路的供電電壓。因此，該緩沖器電路的選型上需要考慮帶寬、offset、input bias current等影響精度的參數(shù)外，還需要考慮輸入端短路到電源時(shí)會(huì)超過(guò)供電電壓的情況，這對(duì)方案的選型提出了更高的要求。
圖 9 V踏板傳感器信號(hào)搭配1.8V ADC應(yīng)用實(shí)例TLV316-Q1是單通道、10MHz帶寬、 軌到軌輸入/輸出、供電范圍為1.8V到5.5V的運(yùn)放，常溫下，offset電壓典型值僅為+/-0.75mV，input bias current典型值僅為+/-10pA。除此之外，TLV316-Q1的輸入級(jí)鉗位二極管的架構(gòu)可以容許超過(guò)供電電壓0.5V，只需要保證輸入端灌電流不超過(guò)10mA，并且TLV316-Q1在圖7所示實(shí)例中還支持短路到電源情況的診斷，如圖8所示來(lái)自于規(guī)格書的曲線所示，正常輸入范圍在0.15V-1.7V，短路到電源情況下輸入超過(guò)供電電壓，輸出電壓會(huì)接近負(fù)電源軌，本例中，可以選取1.75V作為短路到電源的診斷閾值。
圖 10 TLV316-Q1非反相跟隨特性曲線因此，TLV316-Q1不僅適合作為提供踏板傳感器輸入信號(hào)高輸入阻抗、低輸出阻抗的需求，還可以支持短路到電源的保護(hù)和診斷。