用52mm*45mm的6層PCB板子做一個微縮版車身控制器，3000字手把手教你搞定它

Part 01、前言

車身控制器英文名字叫Body Control Module，也就是BCM，這玩意是汽車電子系統(tǒng)中的核心電子控制單元ECU，它負(fù)責(zé)管理和協(xié)調(diào)車輛的多種車身功能。它通過CAN以及LIN總線與車輛各部件通信，接收傳感器信號并控制執(zhí)行器。

典型的車身控制器功能包括燈光控制，主要負(fù)責(zé)管理車內(nèi)外照明，包括前大燈、尾燈、轉(zhuǎn)向燈、氛圍燈等。車窗與車門控制，比如說控制電動車窗升降、車門鎖閉、中央門鎖及防夾功能。雨刮與洗滌功能，比如調(diào)節(jié)雨刮速度、控制噴水清洗系統(tǒng)。當(dāng)然還有比較時髦的功能像無鑰匙進(jìn)入與啟動，IMMO防盜報警、電子轉(zhuǎn)向鎖及安全開門輔助功能等等， BCM通常安裝在儀表板后方或座椅下方，目前隨著汽車電子架構(gòu)從分布式向域控架構(gòu)以及區(qū)域架構(gòu)演進(jìn)，車身域控制器逐漸取代傳統(tǒng)BCM。

目前大的趨勢來說域控制器以后會逐漸取代傳統(tǒng)的車身控制器，目前的車身控制器也越來越智能化，以前的車身控制器你會看到比較多的保險絲以及繼電器，現(xiàn)在的車身控制器則是逐漸在削減保險絲以及繼電器的數(shù)量，那保險絲以及繼電器被什么取代了呢？那就是智能芯片。這篇文章就帶你手把手設(shè)計一個微縮版車身控制器，采用6層板PCB設(shè)計。包含原理設(shè)計以及PCB設(shè)計，當(dāng)然最終是實現(xiàn)驅(qū)動兩個小車燈，可以通過硬線開關(guān)和CAN線兩種方式來控制車燈開或者關(guān)。

Part 02、原理設(shè)計

1.原理設(shè)計我們分為電源設(shè)計，CAN通信設(shè)計，最小系統(tǒng)設(shè)計，智能HSD驅(qū)動設(shè)計，硬線數(shù)字信號采樣設(shè)計五大部分。

電源設(shè)計

車身控制器等汽車電子控制單元ECU的電源模塊設(shè)計通常需要滿足汽車電子的嚴(yán)苛要求，包括電磁兼容性EMC、瞬態(tài)脈沖防護(hù)如ISO 7637標(biāo)準(zhǔn)和穩(wěn)定性。典型構(gòu)成包括“電容ESD防護(hù) + TVS脈沖防護(hù)（應(yīng)對7637脈沖） + 電容濾波 + SBC。

電容ESD防護(hù)作用是在電源輸入端添加電容，用于抑制靜電放電ESD干擾，保護(hù)后續(xù)電路免受高電壓尖峰的損害。瞬態(tài)抑制二極管TVS用于吸收ISO 7637標(biāo)準(zhǔn)定義的瞬態(tài)脈沖如負(fù)載突降、開關(guān)瞬態(tài)等，保護(hù)ECU免受高能量脈沖損壞。電容濾波的作用是平滑電源輸入端的紋波，濾除高頻噪聲，提供穩(wěn)定的直流電源。大容量電解電容用于低頻濾波，小容量陶瓷電容用于高頻噪聲抑制。SBC是汽車ECU電源管理的核心，集成了穩(wěn)壓器、看門狗、CAN/LIN收發(fā)器等功能，為MCU和其他模塊提供穩(wěn)定電源，同時還能監(jiān)控MCU的運行時序，避免軟件跑飛后系統(tǒng)亂搞一通。

所以我們可以選用SBC UJA1169來作為電源的核心芯片，來實現(xiàn)給MCU供電以及作為CAN的收發(fā)器控制，這樣也解決了CAN通信設(shè)計，當(dāng)然UJA1169內(nèi)部還集成了硬件看門狗。

最小系統(tǒng)設(shè)計

目前車規(guī)領(lǐng)域的主流MCU廠家有NXP，瑞薩，英飛凌，TI，ST，NXP的S32系列如S32K、S32G、S32Z/E，基于Arm Cortex-M/A/R架構(gòu)，支持車身控制、網(wǎng)關(guān)、動力系統(tǒng)和ADAS。我們的微縮版車身控制器不需要太高端的MCU，選用FS32K116LAT0MLFT即可，這款MCU是ARM 架構(gòu)微控制器，屬于 Arm Cortex-M0+，最高主頻是48 MHz，具有128 Kb Flash，CAN FD，F(xiàn)lexIO，CSEc安全，封裝是LQFP48。

智能HSD驅(qū)動設(shè)計

目前集成MOS的智能驅(qū)動芯片可以分為三大類，HSD，LSD，H橋驅(qū)動芯片，這些芯片內(nèi)部集成了MOS，適用小電流驅(qū)動場景，廣泛應(yīng)用于汽車電子系統(tǒng)中，用于驅(qū)動負(fù)載如繼電器、燈泡、電機等。它集成了 MultiSense 模擬反饋功能，可提供負(fù)載電流、電壓和溫度的實時診斷信息，符合AEC-Q100車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，我們可以選用VND7020AJTR ，它具有兩個輸出通道，每個通道可以驅(qū)動1個20W的燈泡，進(jìn)而與車規(guī) MCU配合使用，MCU 通過GPIO輸出5V邏輯信號到 IN1/IN2 引腳，控制高側(cè)開關(guān)。MCU 的 ADC 讀取 MultiSense引腳的模擬信號，監(jiān)控負(fù)載狀態(tài)。通過 CAN/LIN 總線將診斷數(shù)據(jù)傳輸到車身域控制器。

硬線數(shù)字信號采樣設(shè)計

硬線數(shù)字信號采樣設(shè)計可以分為兩部分，一部分是通過三極管實現(xiàn)上拉電源可控開關(guān)設(shè)計，另外一部分是輸入信號電平轉(zhuǎn)換部分，為什么要通過三極管實現(xiàn)上拉電源可控開關(guān)設(shè)計呢？這樣我們在ECU系統(tǒng)睡眠后可以斷開三極管，降低功耗，輸入信號電平轉(zhuǎn)換部分要考慮ESD防護(hù)，可以用陶瓷電容實現(xiàn)，注意耐壓要100V。

這樣整個原理設(shè)計就完成了：

Part 03、PCB設(shè)計

疊層設(shè)計

首先我們想要PCB尺寸盡可能小，目標(biāo)是52mm*45mm，要想在這么小的PCB上放置這么多器件，所以準(zhǔn)備選用6層板PCB，選定了層數(shù)接下來要考慮的就是疊層設(shè)計。疊層設(shè)計我們按如下配置設(shè)置：

Layer 1 (Top): Signal + Components

Layer 2: Ground Plane (GND)

Layer 3: Power Plane (VBAT, 5V)

Layer 4: Signal

Layer 5: Ground Plane (GND)

Layer 6 (Bottom): Signal + Components

Top用于放置主要元器件（UJA1169A、FS32K116、VND7020等）及高優(yōu)先級信號布線如 CAN 差分線、HSD 輸出?？拷仄矫鍸ayer 2，減少信號環(huán)路電感。

Layer 2 是GND層，是完整的地平面，提供低阻抗接地路徑，減少 EMI。為Top層的信號和高電流器件提供參考平面。

Layer 3 Power，可以分割為多個電源區(qū)域：VBAT（12V）、5V SBC 輸出給MCU 供電。使用寬銅箔（>2mm）連接電源區(qū)域，降低壓降。

Layer 4 Signal層用于次要信號布線如數(shù)字 IO、SPI?？拷?Layer 5 的地平面，保持信號完整性。

Layer 5是GND層，是第二個完整地平面，增強屏蔽和接地能力。為 Layer 4 和 Layer 6 的信號提供參考。

Layer 6 Bottom層用于次要元器件如濾波電容、電阻和低速信號布線。適合放置連接器或測試點。

TOP層和BOT層采用2OZ，內(nèi)層采用1OZ，來實現(xiàn)比較好的散熱能力。

疊層優(yōu)點是雙地平面Layer 2 和 Layer 5增強 EMC 和信號完整性。電源層Layer 3集中管理 VBAT/5V/3.3V，減少壓降。6層板可以提供足夠的布線空間，適合復(fù)雜信號和高電流路徑。

多層板目前國內(nèi)很多PCB廠家都有在做，我也打過很多樣，整體體驗下來覺得嘉立創(chuàng)的高多層PCB服務(wù)是真的很不錯，他們家可以做6 - 32層板，也能做高精密阻抗板，我們今天用到的是6層板設(shè)計，所以在嘉立創(chuàng)打樣，問題不大。眾所周知，PCB這玩意不同供應(yīng)商的生產(chǎn)能力是不一樣的，嘉立創(chuàng)高多層PCB采用LDI激光直接成像線路防焊，相比傳統(tǒng)CCD曝光，LDI提供更高精度的線路和防焊層對齊，支持1:1焊盤與防焊開窗，確保高密度布線如CAN差分線的精度。并且采用了VCP脈沖電鍍技術(shù)，通過垂直連續(xù)電鍍提升銅層均勻性，適合高電流路徑如VND7020的大電流輸出，降低電阻和熱效應(yīng)。

布局設(shè)計

電源模塊（電容ESD防護(hù) + TVS + 電容濾波 + UJA1169A）

輸入端將電源輸入連接器、TVS、ESD電容（100nF，50V）放置在 PCB 邊緣，靠近 VBAT 輸入。UJA1169A放置在電源輸入下游，靠近濾波電容（陶瓷 +電解），距離 TVS 要近。濾波電容靠近 UJA1169A 的 VBAT 引腳，輸出端去耦電容緊貼芯片。

TVS 焊盤和 UJA1169A 需大面積銅箔和散熱通孔（散熱過孔可采用0.3mm 直徑）。

TVS 和 ESD 電容的地端通過多個通孔（>3 個）連接到 Layer 2 地平面。

CAN 通信模塊（也就是UJA1169A 集成 CAN 收發(fā)器），CAN_H/CAN_L 引腳到 CAN 連接器的布線盡量短，放置在 Top 層，參考 Layer 2 地平面。終端電阻（120Ω）和保護(hù)電容，ESD二極管靠近 CAN 連接器。共模扼流圈放置在 CAN 信號路徑靠近 UJA1169A 端。CAN 差分線遠(yuǎn)離高電流路徑（如 VND7020 輸出）和 PWM 信號（如 HSD 控制）。保持 CAN_H/CAN_L等長，間距一致，避免交叉。

最小系統(tǒng)（FS32K116LAT0MLFT）

MCU FS32K116（LQFP-48 封裝）放置在 PCB 右下角，靠近 UJA1169A 的5V 輸出。每個 VDD 引腳附近放置 100nF 陶瓷電容，放置BOT面，通過過孔和MCU管腳連接，地端連接到 Layer 2 地平面。8MHz晶振靠近 OSC 引腳，周圍無高頻信號干擾，晶振下方保持完整地平面。

智能 HSD VND7020，驅(qū)動兩個 20W 燈泡

VND7020：放置在 PCB 邊緣，靠近負(fù)載連接器，方便高電流輸出。VND7020的BAT供電走線要寬， 100nF 去耦電容靠近VBAT 引腳。每個通道驅(qū)動 20W 燈泡，12V，約 1.67A。MultiSense 引腳連接到 MCU 的 ADC 引腳，布線原理高頻干擾線，加 470pF 濾波電容到地。

HSD的封裝是PowerSSO-16 ，封裝底部散熱墊連接到大面積銅箔，至少 10 個散熱通孔（0.3mm 直徑）到電源。

IN1/IN2 引腳連接到 MCU 的 GPIO，要遠(yuǎn)離高電流輸出線。

硬線數(shù)字信號采樣

數(shù)字輸入信號（如開關(guān)狀態(tài)）通過 MCU 的 GPIO引腳采樣，輸入連接器放置在 PCB 邊緣，信號線優(yōu)先走 Layer 4，參考 Layer 5 地平面。數(shù)字信號線遠(yuǎn)離 CAN 差分線和 HSD 輸出線。

最后PCB的整體布局如下：

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