汽车电子设计中，如何正确选用看门狗的电源？

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。