汽车电子设计中,如何正确选用看门狗的电源?

日期:2021-06-02        来源:互联网
核心提示:随着汽车电子对功能安全等级的要求提高,越来越多的汽车电子系统也用上了看门狗(Watchdog)功能来提高电源的安全性和可靠性,以满足功能安全的要求。本文将介绍带看门狗电源的分类、系统框图、工作原理以及典型应用。

随着汽车电子对功能安全等级的要求提高,越来越多的汽车电子系统也用上了看门狗(Watchdog)功能来提高电源的安全性和可靠性,以满足功能安全的要求。本文将介绍带看门狗电源的分类、系统框图、工作原理以及典型应用。

通常,我们将带有看门狗的电源分为三类:

■ 基本型看门狗电源

■ 窗口型看门狗电源

■ 问答型看门狗电源

1. 基本型看门狗电源
1.1系统框图

 

图1:线性稳压器L4995的系统框图。

 

以意法半导体(ST)的线性稳压器L4995为例,从其系统框图(图1)中可以看到,基本型看门狗电路基本有以下三种功能引脚:

■ 基本功能引脚

– Vin(电池输入)

– Vo(稳压器电压输出)

– GND

 

■ 用3个引脚来实现看门狗的功能(Wi、Vcw、Res)

– Wi(WD PWM输入)

– Vcw(WD电容器引脚)

– Res(复位)

 

■ 保护功能(没有列出所有的保护功能)

– 负载电流限流

– 温度关断

 

1.2 工作原理

 

图2:L4995工作原理。

 

连接的微控制器由看门狗输入Wi监控。如果脉冲丢失,复位输出引脚设置为低(图2)。利用外部电容器Ctw,可以在较宽的范围内设置脉冲序列时间。看门狗电路用恒流Icwd向电容器Ctw放电。如果达到较低的阈值Vwlth,将看门狗重置。

每个Wi正边沿将电流源从放电切换到充电。当达到较低的阈值时也会发生同样的情况。当电压达到上限时,电流从充电切换到放电,其结果是一个锯齿波。Vcw为看门狗定时器电容器Ctw处的电压。

2. 窗口型看门狗
2.1系统框图

 

图3:低压差稳压器TLE7273-2系统框图。

 

英飞凌(Infineon)的低压差稳压器TLE7273-2中所内置的看门狗即为窗口型看门狗,其系统框图如图3所示。

2.2 工作原理

 

图4:TPS7A63xx-Q1内置看门狗的窗口持续时间。


以TI低压差稳压器TPS7A63xx-Q1为例,如图4所示,每个看门狗窗口由一个打开的窗口和一个关闭的窗口组成,每个窗口的宽度约为看门狗窗口的50%。但有一个例外:看门狗初始化后第一个打开的窗口是看门狗窗口持续时间的8倍。除看门狗初始化后打开的窗口外,所有打开的窗口都是看门狗窗口宽度的一半。初始化时,看门狗只能在打开的窗口中接收服务(通过软件、外部微控制器等)。在关闭的窗口中维护的看门狗,或在打开的窗口中不维护的看门狗,会造成看门狗的报错。

3. 问答型看门狗
3.1系统框图
用德州仪器(TI)的TPS65381(用于安全关键型应用中的微处理器的多轨电源)的系统框图(图5)来示意带有问答型看门狗的结构。

 

图5:TPS65381系统框图。

 

3.2 工作原理
下面用DRV3205-Q1(TI的一款用于汽车安全应用的具有3个电流感应放大器的三相电机前置驱动器IC)的问答型看门狗来解释一下具体的工作原理(图6)。

 

 

图6:看门狗定时器简化流程图。

 

问答型看门狗通过SPI发送特定的消息序列定期进行操作。根据单片机的请求,DRV3205-Q1向SPI上的MCU,锁定在WDT_ANSWER令牌U值寄存器中。单片机执行一系列固定的对令牌值进行算术运算,并将生成的令牌值返回给MCU通过写入WDT_ANSWER应答寄存器的SPI。DRV3205-Q1设备验证MCU是否返回令牌值在指定的时间窗口内产生(应答),并且令牌值响应(答案)正确。

● 当MCU在正确的时间窗口内执行与看门狗相关的SPI通信时,并返回正确计算的响应(答案),看门狗认为这是好事件。

● 当MCU在正确的定时窗口外执行与看门狗相关的SPI通信时,或返回错误计算的令牌响应(答案),或返回错误的正确答案顺序,看门狗认为这是坏事件。

● 当MCU在看门狗超时期间暂停看门狗相关的SPI通信时窗口,看门狗将此视为无响应事件。

● 内部计数器存储wd_fail_cnt寄存器中的错误响应数,该寄存器触发。

● 如果wd_fail_cnt达到预先定义的限制,则失败。通过在wd_fail_max中指定限制注册后,可以为坏事件的数量设置一个缓冲区。

问答型看门狗目前用在对应功能安全等级ASIL-C/D的汽车系统中,例如EPS。但这个电路的缺点就是增加了控制软件的复杂度,同时也增加了硬件的成本,需要依据具体的系统要求来选用。

综上所述,汽车中带有看门狗功能的电源依据不同的应用场合可以合适地选用。需要在成本、复杂性、可靠性和功能安全等方面进行综合权衡后得出一个折衷的选择。

 
 
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