某重型汽车方向盘LIN 开关故障分析

翟明磊， 赵掌柱， 安 旺， 李惠宇， 郭志龙， 成卫毅， 黄 河

（陕西汽车集团股份有限公司技术中心， 陕西 西安 710075）

1 引言

随着汽车工业的快速发展， 人们对汽车的舒适性、 操纵性及安全性越来越重视。 目前汽车驾驶员在驾驶过程中已不是单纯的驾驶行为， 越来越多的信息交互融入到汽车设计当中。 多功能方向盘开关作为重要的人机交互界面融入了多媒体、 仪表以及定速巡航等功能的控制， 其本身也从最初的硬线模拟信号点对点控制演变为LIN通信控制的数字开关。 LIN通信技术的应用能够明显地减少线束回路与插件的使用， 同时增加开关系统的拓展性； 其在控制整车成本、 质量、 可靠性的基础上极大地丰富方向盘开关功能。

2 LIN网络及开关设计

本文涉及的某重型汽车开关网络拓扑， 包括多功能方向盘开关、 门控开关及室内照明开关等模块。 这些模块都作为车载某LIN网络的从节点 （Slave Node） 采集车辆各种开关状态， 通过LIN总线发送给主节点 （Master Node） 车身控制器 （BCM）。 BCM接收到驾驶员反馈的各种开关信息， 通过逻辑运算， 执行各种车身电器控制动作， 例如多媒体、 仪表、 门窗等控制功能。 图1为某LIN网络拓扑结构。

图1 某LIN网络拓扑结构

目前典型方向盘开关的硬件主要包括上下壳体、 导电橡胶垫、 防水结构、 PCB电路板、 限位机构及附件等。 在设计方向盘开关结构过程中， 根据整车功能需求， 确定方向盘开关的控制功能需求、 信号输入方式、 引脚数量及定义、 接插件选型等参数。 在LIN开关的PCB板中， 收发器是其最重要的部件， 是控制器与LIN总线之间的接口； 发送数据时收发器将MCU的TXD管脚输入的发送数据转换为LIN总线信号； 接收数据时收发器检测LIN总线的数据， 通过RXD管脚发送到MCU； 从而实现与主节点的信息交互。

本文涉及到的LIN 收发器为NXP （恩智浦半导体）TJA1020T， 具体参数如表1所示。 为满足重型汽车24V系统的需求， 需通过分压电路来满足其电压需求。

表1 快速参考数据

3 故障描述

某重卡车型试验样车在高原路试行车过程中， 出现多功能方向盘开关功能失效， 无法实现仪表、 多媒体等控制功能。

4 原因分析

通过诊断仪器读取车辆故障信息并对故障现象与故障代码进行关联性分析， 该车显示D20187 （BCM与方向盘开关通信超时故障） 当前故障。 初步诊断原因是方向盘开关线束回路断路或者开关本体故障。

4.1 线路排查

检阅维修电路图， 确认方向盘开关线束回路： BCM—主线束—时钟弹簧—方向盘开关线束—开关本体； 用万用表测量回路是否导通， 确认开关电源、 搭铁、 LIN线回路正常； 同时更换新多功能方向盘开关后进行测试， 其多媒体、仪表等控制功能恢复正常。 排除了线束回路故障导致开关功能故障的因素。

4.2 开关故障排查

对故障件提供24V电， 同时连接LIN诊断工具和诊断电脑， 如图2所示； 按下操作开关按键， 发现LIN诊断工具显示红色故障灯， 同时诊断软件显示报文故障； 初步判断LIN开关控制器损坏导致功能故障。

图2 诊断工具和诊断电脑

进一步检测故障件PCB 板，发现LIN收发器附近存在明显的烧蚀现象， 用万用表测量其PIN脚， 发现PIN脚6存在搭铁短路故障。 更换新LIN收发器后搭铁短路故障消除， 明确故障点位于LIN收发器中。 针对拆下的LIN收发器， 使用万用表检测收发器发现PIN脚5、 PIN脚6存在短路， 查询LIN收发器NXP TJA1020T使用手册如表2所示， PIN脚5接搭铁，与上文PIN脚6对搭铁短路现象吻合。 综上所述， 开关故障为LIN收发器烧蚀导致PIN脚6 （LIN输出） 对搭铁短路。

表2 引脚

对故障件LIN收发器芯片进一步检测发现， 收发器芯片内部MOS管Q1 （图3） 失效短路， 可以明确故障LIN收发器芯片因受到瞬时高压， 从而引起短路失效。 下一步需明确LIN收发器芯片受到瞬时高压来源。

图3 收发器芯片内部MOS管Q

根据上文分析并查询开关PCB板电路图， 初步分析瞬时高压来源有以下两点： ①LIN收发器芯片V电源输入端瞬时高压； ②LIN收发器芯片LIN总线回路端瞬时高压。

LIN收发器芯片V电源输入端瞬时高压： LIN收发器芯片V的供电分压电路如图4所示， 电源分压回路中有TVS管、 电容、 电阻保护。 TVS管是一种二极管形式的高效能保护器件， 当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时， 它能以10的负12次方秒量级的速度， 将其两极间的高阻抗变为低阻抗， 吸收高达数千瓦的浪涌功率， 使两极间的电压钳在一个预定范围值， 从而有效地保护电子线路中的精密元器件免受各种浪涌脉冲的冲击。 经查询本开关使用的TVS管型号为SMBJ33A， 其钳位电压范围36～40.6V。 查询LIN收发器芯片NXP TJA1020T使用手册， 其最大承受瞬时电压V为40V。 综上所述， 选择的TVS管的最大钳位电压大于LIN收发器的最大电压值， 因此LIN收发器芯片存在烧蚀的风险。

图4 LIN收发器芯片VBAT的供电分压电路

LIN总线回路端瞬时高压： 收发器LIN总线端电路图如图5所示， 收发器芯片LIN总线回路中只有电容保护， 在受到脉冲电压影响时， 无法保证回路电压保持在LIN控制器芯片Vtrt （LIN） 范围-40～+150V内。 同时查阅LIN总线主节点BCM硬件电路中同样无TVS管保护。 综上所述， LIN总线回路存在受到脉冲电压影响， 导致LIN控制器芯片烧蚀的风险。

图5 收发器LIN总线端电路图

5 整改措施及验证

1） 故障原因： 综上所述， 故障原因为： ①LIN收发器芯片电源输入电路选择TVS规格超出芯片最大承受V； ②LIN总线回路主/从节点电路设计电路保护不足。

2） 整改措施： ①LIN收发器芯片V电源输入端电路中更 换TVS 管， 型 号 为SMBJ30A， 其 钳 位 电 压 范 围33.3 ～36.8V， 满足设计要求的供电回路瞬时电压值小于LIN收发器芯片最大承受电压V40V； ②在LIN总线端增加型号为SMBJ30A的TVS管保护， 收发器芯片Vtrt （LIN） 范 围-40 ～+150V，其可以满足电路中LIN收发器芯片保护的需求。

3） 效果验证： ①对整改样件进行静放电、 传导耦合/瞬态抗干扰试验， 试验结果表明， 其状态满足设计要求； ②整改样件进行实车1万公里高原试验， 试验过程各项功能正常， 满足设计需求。

6 总结

在本案例中， 通过对故障现象所涉及系统由外至内的分析， 逐步找出LIN开关单件故障原因及其背后隐藏的设计缺陷， 为后续此类故障的排查与LIN开关设计提供了参考，具有一定的借鉴价值。 同时也提示我们在进行汽车电路设计过程中要时刻意识到设计校验与试验的重要价值。