汽车级多路复用器TMUX13xxA - Q1：特性、应用与设计要点

在汽车电子系统不断发展的今天，对于高性能、高可靠性的模拟和数字信号处理元件的需求日益增长。TMUX1308A - Q1和TMUX1309A - Q1作为德州仪器（TI）推出的汽车级多路复用器，凭借其卓越的性能和丰富的特性，在汽车电子领域展现出了巨大的应用潜力。

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一、产品概述

TMUX1308A - Q1是一款8:1单通道（单端）多路复用器，而TMUX1309A - Q1则是4:1双通道（差分）多路复用器。它们均为通用互补金属氧化物半导体（CMOS）多路复用器，支持源（Sx）和漏（Dx）引脚上从GND到VDD的双向模拟和数字信号传输。这两款产品经过AEC - Q100认证，适用于汽车应用，工作温度范围为 - 40°C至125°C，能够在恶劣的汽车环境中稳定工作。

二、特性亮点

2.1 注入电流控制

传统的CMOS开关在面对注入电流时，可能会出现信号干扰、系统可靠性降低等问题。而TMUX13xxA - Q1系列产品具有内部注入电流控制功能，它消除了通常用于保护开关和使输入信号保持在电源电压范围内的外部二极管和电阻网络的需求。内部注入电流控制电路允许禁用或启用的信号路径上的信号超过电源电压，同时防止高于VDD的禁用通道影响启用信号路径的信号。这一特性大大提高了系统的抗干扰能力和可靠性。

2.2 反向供电保护

该系列产品没有到VDD的ESD二极管路径，这消除了损坏连接到电源引脚的组件或为电源轨提供意外电源的风险。这在汽车电子系统中尤为重要，因为汽车环境中可能会出现各种复杂的电气干扰和故障情况，反向供电保护能够有效保护系统免受损坏。

2.3 宽电源范围

支持1.62V至5.5V的宽电源范围，使得TMUX13xxA - Q1能够适应不同的电源系统，提高了产品的通用性和灵活性。无论是低电压的传感器电路还是高电压的执行器控制电路，都可以使用这两款多路复用器。

2.4 快速建立时间和低导通电容

快速建立时间确保了信号能够迅速稳定，减少了信号传输的延迟，提高了系统的响应速度。低导通电容则降低了信号的损耗和失真，保证了信号的质量。

2.5 双向信号路径和轨到轨操作

双向信号路径允许信号在源和漏之间双向传输，使得TMUX13xxA - Q1既可以作为多路复用器使用，也可以作为解复用器使用。轨到轨操作则保证了信号在整个电源电压范围内都能正常传输，提高了信号的动态范围。

2.6 1.8V逻辑兼容和故障安全逻辑

1.8V逻辑兼容输入允许多路复用器与具有较低逻辑I/O电压的处理器接口，无需外部电压转换器，节省了空间和物料清单成本。故障安全逻辑则允许在电源引脚施加电压之前在控制引脚上施加电压，保护设备免受潜在损坏，同时减少了系统复杂度。

2.7 先断后通切换和短路到电池保护

先断后通切换功能避免了在切换过程中出现两个输入同时连接的情况，保证了信号切换的安全性和稳定性。短路到电池保护则为开启和关闭通道提供了额外的保护，防止因短路故障导致设备损坏。

2.8 功能安全能力

该系列产品具备功能安全能力，并提供相关文档以辅助功能安全系统设计，满足了汽车电子系统对安全性的严格要求。

三、应用领域

3.1 模拟和数字信号复用与解复用

在汽车电子系统中，需要对多个模拟和数字信号进行复用和解复用处理，以实现信号的有效传输和处理。TMUX13xxA - Q1可以将多个输入信号切换到一个输出端，或者将一个输入信号分配到多个输出端，从而实现信号的复用和解复用功能。

3.2 诊断和监测

用于汽车电子系统的诊断和监测功能，例如监测电池管理系统（BMS）中的多个电池电压、监测车身控制模块（BCM）中的各种传感器信号等。通过多路复用器，可以减少微控制器的GPIO或ADC输入数量，降低系统成本。

3.3 区域架构和车身控制模块

在汽车的区域架构和车身控制模块中，需要对大量的输入信号进行处理和控制，如照明、门锁、车窗、雨刮器、转向灯等。TMUX13xxA - Q1可以有效地对这些输入信号进行复用，减少系统的复杂性和成本。

3.4 电池管理系统（BMS）

在BMS中，需要对多个电池单元的电压、电流等参数进行监测。多路复用器可以将多个电池单元的信号依次切换到测量电路中，实现对多个电池单元的实时监测。

3.5 其他应用

还可应用于HVAC控制模块、汽车主机、远程信息处理、车载（OBC）和无线充电等领域。

四、典型应用案例 - 车身控制模块（BCM）信号复用

4.1 设计要求

以一个典型的BCM信号复用应用为例，设计要求如下：

• 电源电压（VDD）：5.0V
• I/O信号范围：0V至VDD（轨到轨）
• 控制逻辑阈值：1.8V兼容
• 开关输入：八个

4.2 详细设计过程

• 注入电流控制：TMUX1308A - Q1的内部注入电流控制功能消除了外部保护网络的需求。在汽车系统中，长电缆可能会引入感应电流，而BCM中的湿电流也可能导致注入电流。如果没有注入电流控制，注入到禁用信号路径的电流可能会影响启用信号路径的测量输出，导致误触发事件和测量读数错误。
• 湿电流处理：BCM使用12V电池电压为每个开关提供湿电流，以防止金属开关触点或电线氧化。在多路复用器输入之前，使用20kΩ和15kΩ电阻形成分压器，以确保开关信号路径的电压低于VDD。20kΩ的串联电阻还可以在过压事件发生时限制注入开关的电流量。
• 二极管和电容的作用：二极管D1至D8用于防止电流回流，以确保系统的稳定性。10nF电容用于系统的初始ESD保护，其大小应根据系统级要求进行调整。
• 逻辑地址控制：逻辑地址引脚由微控制器控制，以循环切换系统中的八个开关输入。如果希望设备的上电状态为禁用，则使能引脚应使用弱上拉电阻，并由微控制器通过GPIO进行控制。

4.3 短路到电池保护

在汽车应用中，短路到电池是一种常见的故障情况，因此评估多路复用器在短路到电池条件下的性能非常重要。以5V电源电压为例，分别对不同的短路到电池场景进行了测试：

• 单通道短路：当通道S7被选中，通道S0发生短路到电池情况时，根据不同的电池电压（VBAT），需要选择合适的限流电阻（RLIM），以确保通过开关的电流不超过规定值（如25mA），并使输出电压变化（∆VOUT）尽可能小。
• 多通道短路：当所有未选中的通道同时发生短路到电池情况时，需要进一步降低允许的电流值（如12.5mA），并相应调整限流电阻的值。

五、设计要点

5.1 电源供应

TMUX1308A - Q1和TMUX1309A - Q1可在1.62V至5.5V的宽电源范围内工作，但不要超过绝对最大额定值。为了提高噪声容限和防止开关噪声从VDD电源传播到其他组件，建议使用0.1μF至10μF的电源去耦电容，并将其尽可能靠近设备的电源引脚放置。同时，应选择低等效串联电阻（ESR）和电感（ESL）的多层陶瓷片式电容器（MLCC）。

5.2 布局设计

• PCB布线：高速信号应尽量减少过孔和拐角，以减少信号反射和阻抗变化。当需要使用过孔时，应增加其周围的间隙大小，以最小化电容。
• 电源和接地：电源引脚（VDD）应使用0.1µF电容进行去耦，并靠近引脚放置。同时，应使用实心接地平面来减少电磁干扰（EMI）噪声拾取。
• 模拟和数字信号分离：敏感的模拟迹线不应与数字迹线并行运行，尽可能避免数字和模拟迹线交叉，必要时应进行垂直交叉。

总结

TMUX1308A - Q1和TMUX1309A - Q1汽车级多路复用器凭借其丰富的特性和卓越的性能，为汽车电子系统的设计提供了一个可靠的解决方案。在实际应用中，工程师们需要根据具体的设计要求和系统环境，合理选择产品型号，并注意电源供应、布局设计等关键要点，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用这类多路复用器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。