L9678/L9678 - S：汽车安全气囊系统的理想芯片方案

在汽车安全气囊系统的设计中，选择合适的芯片至关重要。STMicroelectronics推出的L9678和L9678 - S芯片，为入门级安全气囊系统提供了独特且强大的解决方案。今天，我们就来深入探讨这两款芯片的特点、功能以及应用。

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一、芯片概述

L9678是一款专门针对新兴市场应用的系统芯片，它可以与SPC560Px微控制器以及板载加速度传感器或PSI5传感器配合，完成基础系统设计。而L9678 - S与L9678引脚兼容，额外增加了两个PSI - 5远程传感器接口通道和一个专门为远程传感器供电的稳压器。

主要特性

• 可配置电源管理：芯片包含完整的电源管理系统，提供多种电压输出，如3.3V、5V、7.2V等，且用户可根据具体应用需求进行配置，平衡成本和性能。
• 能量储备系统：通过集成的开关升压调节器实现能量储备供电（ERBOOST），采用高频操作，允许用户选择低价值、低成本的电感，输出电压可通过SPI命令设置为23V或33V。
• 多通道驱动与接口：具备4通道爆管驱动、2通道HS/LS通用输出（GPO）驱动、4通道传感器接口，可连接多种类型的传感器，如霍尔效应、电阻或开关传感器。
• 安全逻辑监测：集成的安全逻辑可监测惯性传感器数据，判断是否发生碰撞事件，从而触发安全气囊的部署。
• SPI通信接口：提供丰富的SPI寄存器，用于配置、控制和状态监测，方便用户进行系统设置和故障诊断。

二、电源管理

电源供应概述

L9678的电源管理系统提供了多种电压输出，以满足不同组件的需求。其中，两个3.3V内部稳压器分别为内部逻辑（CVDD）和模拟电路（VINT3V3）供电；能量储备供应（ERBOOST）通过集成的开关升压调节器实现，为系统提供备用能量；VDD5线性稳压器为5V微控制器供电；VDD3V3线性稳压器为3.3V微控制器供电。

电源模式控制

芯片有四种主要电源模式：电源关闭、睡眠、活动和被动模式。这些模式的切换由WAKEUP引脚、VBATMON引脚、VIN引脚的状态以及SPI接口控制。

• 电源关闭模式：所有电源供应关闭，系统处于静态，电流消耗极低。
• 睡眠模式：VINT3V3和CVDD内部稳压器开启，芯片准备好激活其他电源。
• 活动模式：所有电源供应开启，能量储备升压转换器开始工作，系统正常运行。
• 被动模式：能量储备充电电流禁用，ERBOOST升压转换器在特定条件下禁用，系统依靠能量储备电容供电。

可配置系统电源控制

• ERBOOST开关稳压器：工作频率为1.882MHz，可通过SPI命令设置输出电压为23V或33V，具备过压和欠压诊断功能。
• 能量储备电容充电电路：通过电流发生器为连接到VER引脚的能量储备电容充电，充电电流为30mA，可通过SPI命令控制。
• ER开关和COVRACT引脚：集成的ER开关在进入被动模式时自动激活，具备热保护和电流限制功能；COVRACT引脚用于控制外部可选的交叉开关。
• 线性稳压器：VDD5、VDD3V3、VSUP和VSF线性稳压器分别提供5V、3.3V、7.2V和20V（可配置为25V）的电压输出，确保系统各部分的稳定供电。

三、SPI接口

SPI接口是L9678的重要组成部分，用于配置、控制和状态监测。它由输入移位寄存器、输出移位寄存器和四个控制信号组成，所有SPI通信以32位为单位进行。通过SPI接口，用户可以访问多个32位寄存器，实现对芯片各种功能的配置和监控。

主要寄存器

• 全局状态字（GSW）：包含11位信息，提供全局状态信息，如SPI故障、部署成功标志、远程传感器接口故障等。
• 故障状态寄存器（FLTSR）：报告芯片的各种故障信息，如ERBOOST过温、内部振荡器错误等。
• 系统配置寄存器（SYS_CFG）：用于配置系统的各种参数，如自动开关关闭、ERBOOST行为、诊断时间等。
• 系统控制寄存器（SYS_CTL）：控制电源管理相关的参数，如VIN比较器阈值、ERBOOST电压选择等。

四、部署驱动

驱动逻辑

爆管部署模块由4个独立的高端驱动和4个独立的低端驱动组成。部署逻辑需要通过SPI通信接收部署命令，并结合安全逻辑处理的arming条件或FENH和FENL输入引脚的评估结果，才能触发部署。

控制逻辑

• 部署电流选择：通过部署配置寄存器（DCRx）为所有通道编程部署电流，不同的电流和时间组合有相应的限制。
• 部署命令过期定时器：部署命令在接收到后，在指定的时间内有效，可通过部署状态寄存器（DSRx）读取部署状态和过期定时器的值。
• 部署控制流程：成功部署需要满足多个条件，包括POR = 1、系统处于安全状态或arming状态、有效的arming条件以及全局部署状态激活等。

保护机制

• 延迟低端停用：在部署结束时，低端驱动在高端驱动停用后延迟tDEL_SD_LS时间停用，以控制爆管引脚的电压尖峰。
• 低端电压钳位：通过钳位结构保护低端驱动免受SRx引脚的过压影响。
• 短路保护：低端驱动具备电流限制和过流保护电路，在短路情况下限制短路电流，并在特定条件下关闭高低端驱动。
• 间歇性开路爆管保护：在部署过程中，若出现间歇性开路负载，驱动可通过特定机制限制电流，防止损坏。

诊断功能

L9678为所有部署通道提供多种诊断反馈，包括高压泄漏测试、短路诊断、爆管电阻测量等。这些诊断结果通过10位模数算法转换器处理，可采用高电平或低电平两种诊断方法。

五、远程传感器接口

L9678 - S包含2个远程传感器接口，支持PSI - 5协议。该接口由电源接口、解码器和错误检测电路组成，可将传感器的电流状态转换为数字值，并通过远程传感器数据寄存器（RSDRx）输出。

PSI - 5协议

• 通信特性：所有通道符合PSI - 5 v1.3规范，采用两线电流接口、曼彻斯特编码数字数据传输，支持125kbps和189kbps的高速数据传输，数据字长度可变（仅8位和10位），具备1位奇偶校验和异步操作模式。
• 功能描述：每个通道独立工作，不受其他通道故障影响，可独立启用或禁用。通过集成的电流调整功能自动设置电流检测阈值，适应传感器的静态电流消耗。

故障保护

• 短路保护：每个输出通过独立的电流限制电路进行短路保护，当输出电流超过ILIMTH且持续时间超过TILIMTH时，输出级禁用。
• 过压保护：所有输出独立保护，防止短路到电池的情况，当输出RSUx引脚电压超过VSUP供应引脚电压且持续时间超过TSTBTH时，检测到短路到电池。
• 其他保护：还具备交叉链接检查、开路检测、漏电检测和热关断保护等功能。

六、看门狗定时器

L9678提供了一个临时看门狗定时器，确保系统软件正常运行。看门狗窗口时间可通过SPI编程，需要在指定时间窗口内写入特定代码以服务看门狗控制。

工作模式

• 快速看门狗：最大范围为2ms，分辨率为8μs。
• 慢速看门狗：最大范围为16.3ms，分辨率为64μs。

状态描述

• WD1_INITIAL：启动后的默认状态，无需看门狗服务，所有arming信号禁用。
• WD1_RUN：正常运行状态，需要进行看门狗服务。
• WD1_TEST：用于测试看门狗功能的特殊状态，部署被禁止。
• WD1_RESET：发生WD1_ERROR时进入的状态，持续1ms后自动退出。
• WD1_OVERRIDE：用于开发目的的特殊状态，可禁用看门狗功能。

七、DC传感器接口

L9678的DC传感器接口可与多种类型的传感器连接，如霍尔效应、电阻或开关传感器。测量范围包括电阻传感器的65Ω至3kΩ和霍尔效应传感器的2mA至20mA，在该范围内保证±15%的精度。

接口控制

通过全局SPI的SWOEN位启用DCSx引脚的输出电压，通过CHID位选择要激活的通道。接口激活由用户通过SPI命令完全控制，还可配置为在电流或电阻测量完成后自动关闭。

测量方法

• 霍尔效应传感器：进行单电流测量，将电流负载反映到参考电阻上，通过内部ADC转换器测量电压降。
• 电阻或开关传感器：进行更复杂的测量，先提供电流信息，再提供输出引脚的电压信息，通过处理这两个值计算电阻值。

八、安全逻辑

逻辑概述

集成的安全逻辑通过解码SPI通信中的数据，使用来自板载和远程位置的传感器数据。它具备多个可编程特性，能够处理来自多达4个传感器的数据，采用简单的对称数据阈值比较方法，使用对称或非对称计数器。

数据解码

通过定义特定的屏蔽功能，从SPI通信中提取目标数据，并与编程的阈值进行比较。每个安全记录有独立的寄存器，用于设置请求掩码、响应掩码、数据掩码、安全阈值等参数。

状态机操作

安全状态机的操作在安全状态机复位信号激活时禁用，输出为ARM1INT和ARM2INT。输入为编程的安全记录和传感器数据，配置对所有传感器通用。

简单阈值比较操作

传感器数据通过SPI接口接收并验证后，与两个阈值（SAF_TH和 - SAF_TH）进行比较。根据比较结果，事件计数器进行相应的增减操作，当计数器值达到arming阈值时，触发arming信号。

九、通用输出（GPO）驱动

L9678包含两个GPO驱动，可配置为高端或低端模式，通过GPO控制寄存器（GPOCTRLx）设置占空比。驱动在激活前需要通过GPO配置寄存器（GPOCR）进行硬件配置，仅在Init和Diag状态下允许配置。

保护机制

• 短路保护：驱动具备短路保护功能，输出驱动包含诊断信息，可在GPO故障状态寄存器（GPOFLTSR）中查看。
• 热过载保护：热过载故障在温度超过热故障条件时保持激活，即使读取GPOFLTSR寄存器也不会清除。
• 开路负载诊断：在ON状态下进行开路负载诊断，通过比较输出电流与参考阈值判断是否存在开路。

十、ISO9141收发器

ISO9141收发器用于与主微控制器进行数据传输，数据通过ISOTX引脚发送，通过ISORX引脚接收，总线输出为ISOK。

工作原理

当ISOTX引脚为高电平时，ISOK输出禁用；当ISOTX引脚为低电平时，ISOK输出启用。ISORX引脚的输出根据ISOK引脚的电压与输入接收器阈值的比较结果进行高低电平切换。

保护与诊断

输出级具备短路保护功能，诊断提供电流限制和热关断反馈。在电流限制时，输出级继续工作，直到达到热限制，此时输出级关闭，故障状态在ISO9141故障状态寄存器（ISOFLTSR）中报告。

十一、系统电压诊断

L9678的系统电压诊断电路通过内部模拟多路复用器处理多个输入，并通过SPI数字接口提供诊断反馈。通过四个SPI诊断控制命令（DIAGCTRLx）激活诊断电路，可测量多个节点的电压。

诊断控制

DIAGCTRLx命令的ADCREQ[A - D]位字段用于选择不同的测量项目，如DC传感器电压、电流、电阻，爆管电阻，电池电压等。诊断结果存储在ADCRESx寄存器中。

模数转换器

芯片集成了10位模数转换器，运行频率为16MHz。ADC输出经过D到D转换器处理，包括使用修整位恢复偏移和增益误差、数字低通滤波以及从12位转换为10位。

十二、温度传感器

L9678提供内部模拟温度传感器，用于参考硅表面的平均结温度。传感器输出通过SPI的ADC转换获得，可根据特定公式计算温度。

总结

L9678和L9678 - S芯片为汽车安全气囊系统提供了全面、可靠的解决方案。其丰富的功能、可配置的特性以及完善的保护机制，使得它能够满足不同应用场景的需求。作为电子工程师，在设计汽车安全气囊系统时，L9678和L9678 - S无疑是值得考虑的选择。你在实际应用中是否使用过这两款芯片？遇到过哪些问题？欢迎在评论区分享交流。