ZHCT944 June 2025 TPS7B4255-Q1
加速踏板/制动踏板原理简介
驾驶员踩下加速踏板后，加速踏板位置传感器会将驾驶员踩下的深度信息发送给整车控制器(VCU)，然后由整车控制器分析判断后，传送给电驱控制器驱动电机实现加减速的功能。
加速踏板传感器主要有可变电阻式加速踏板位置传感器和霍尔式加速踏板位置传感器，常见的踏板传感器供电电压为5V。
可变电阻式加速踏板位置传感器
可变电阻式踏板内部机械结构如下图所示，可变电阻式加速踏板位置传感器在图中1的位置，内部控制电路如下图2(a)所示。踏板的行程变化带动可变电阻器阻值的变化，从而使VPA和VPA2在工作电压范围内线性变化。其中，VPA信号可以反映加速踏板踩下全程范围的线性变化，VPA2信号是相对VPA有固定偏置的电压信号，一旦发现两信号之差或之和与标准值不符，则判定为传感器有故障。为保证信号的可靠性，两个电位器的电路完全独立，因此采用独立的电源供电VCP1和VCP2。
图 1 可变电阻式加速踏板位置传感器
图 2 (a) 控制电路 
图 3 (b) 输出特性可变电阻式加速踏板位置传感器控制电路和输出特性
霍尔式加速踏板内部机械结构和传感器位置如图3所示，内部控制电路如下图4所示。与可变电阻式位置传感器相比，除了采用霍尔效应采样原理的区别之外，其他类似，也有两路独立的传感器电路。可变电阻式踏板位置传感器由于接触式的缘故容易磨损，也存在接触不良的弊端，这就成为了霍尔式这种非接触式踏板位置传感器的优点。
图 4 霍尔式加速踏板位置传感器
图 5 (a) 控制电路 
图 6 (b) 输出特性 霍尔式加速踏板位置传感器控制电路和输出特性
加速踏板/制动踏板信号输入需求
在汽车应用中，加速踏板/制动踏板信号一般会输入到整车控制器VCU端进行控制处理，进一步下发到执行机构，如电驱控制器执行控制电机转速的指令。如今，由于中央集成域控架构的兴起，越来越多的汽车制造商把VCU集成在区域控制器、网关控制器或者动力域控制器中。
由第一节踏板传感器原理介绍可知，常见的踏板传感器供电需求是5V，为了保证传感器电路的可靠性，每个踏板内部有两个独立的控制电路，意味着，考虑到加速踏板和制动踏板，需要由VCU提供4路5V电源给到踏板传感器以及4路来自于传感器的采样信号输入到VCU端。
加速/制动踏板信号的可靠性关系到驾驶员和乘客的舒适性体验和安全，踏板信号采集和传输上面会有功能安全和传输速度的需求，一般为ASIC C等级。 对供电部分、输入信号部分的诊断和保护提出了更高的要求。另外，电源和传感器输入信号相对于VCU来说都是通过连接器和外部线束连接的外部信号，在整车安装过程中，存在短路到电源和短路到地的风险，因此，对于5V电源和输入信号来说，在VCU端需要满足短路到12V电池和短路到地的诊断和保护。在VCU端，输入信号有大量的传感器和其他相同类型的模拟或数字信号，客户从节省MCU IO资料的角度考虑，会采用Multiplexer、IO expandar或者MSDI的方案，但是由于踏板信号的功能安全和传输速度方面的需求，往往都会直接采取独立输入到MCU ADC口的方式，下文针对5V电源和VCU端踏板输入信号的需求作了详细介绍并推荐了相关方案。
加速踏板/制动踏板信号方案推荐
5V 电源推荐
为了保证踏板传感器信号高精度的需求，需要尽量保持与MCU ADC电源电压一致，一般推荐用track LDO方案。由于该电源需要通过板外的电源线缆连接到踏板传感器端，考虑到在汽车生产安装过程中容易发生短路到电源或者地的情况，该电源需要具备一定的保护诊断能力。
一般推荐tracking LDO用于踏板或其他离板传感器的电源，TI tracking LDO的明星产品为TPS7B4255-Q1，图5为典型应用框图。该产品支持3V到40V的输入电压范围，可直接从12V蓄电池接入，tracking tolerance在全温全负载范围内最大误差仅为5mV，并且集成短路到电源或地的保护。
在一些常用的MCU中，也有部分ADC参考基准电压在3.3V、1.8V等级，比踏板传感器的5V供电要小。TI的tracking LDO TPS7B4255-Q1，也集成FB反馈引脚，支持输出电压大于参考电压的应用场景。
图 7 TPS7B4255-Q1典型应用框图输入模拟信号调理方案推荐
加速/制动踏板传感器模拟信号范围一般为0V到5V，在第2节中提到，踏板传感器模拟信号会采取独立输入到MCU ADC端口的方式。常见MCU ADC参考电压为5V, 3.3V以及1.8V，5V 输入范围的ADC可直接支持踏板传感器信号的输入，3.3V和1.8V输入范围的ADC，一般需要先通过外部分压电阻网络，分压电阻网络的电阻考虑到损耗的问题，一般会选取kohm级别的电阻，如下图所示以输入范围0.4V到4.4V的踏板传感器信号以及1.8V ADC为例。一般MCU内部集成的ADC为SAR ADC，为了保证采样的精度，SAR ADC在输入端需要考虑阻抗匹配的问题，因此在前端与分压电阻网络之间推荐加一级缓冲器电路。该缓冲器电路的选型上需要考虑带宽、offset、input bias current等影响精度的参数外，还需要结合SAR ADC输入端的采样保持电路综合考虑。
一般来说，SAR ADC前级驱动电路的设计，包含两部分，一部分就是提供低输入阻抗的缓冲器，另一部分是RC滤波器。RC滤波器提供输入信号的噪声滤波，也帮助衰减ADC输入端中开关电容的反冲影响。TI提供了一个简单又实用的工具来帮助客户更快速的选取合适的运放和RC滤波器，可以从(https://www.ti.com/tool/ANALOG-ENGINEER-CALC)链接中下载，只需要输入SAR ADC的分辨率、量程、ADC采样保持等效电容值以及捕获时间就可以得到运放选型所需要的带宽及其滤波器的参数，图6为一个实例。
图 8 Analog engineer SAR ADC
驱动电路设计推荐在选取了合适的缓冲器和滤波电路之后，由前面提到，板外输入信号还需要考虑短路到电源的风险，12V 电池系统工作电压为9V到16V，以图7所示为例，经过电阻分压后短路到电源的电压为3V到5.4V，为更好的匹配ADC采样精度，缓冲器供电电压一般选取ADC的供电电压，该例子中为1.8V，而短路到电源的最大电压超过了缓冲器电路的供电电压。因此，该缓冲器电路的选型上需要考虑带宽、offset、input bias current等影响精度的参数外，还需要考虑输入端短路到电源时会超过供电电压的情况，这对方案的选型提出了更高的要求。
图 9 V踏板传感器信号搭配1.8V ADC应用实例TLV316-Q1是单通道、10MHz带宽、 轨到轨输入/输出、供电范围为1.8V到5.5V的运放，常温下，offset电压典型值仅为+/-0.75mV，input bias current典型值仅为+/-10pA。除此之外，TLV316-Q1的输入级钳位二极管的架构可以容许超过供电电压0.5V，只需要保证输入端灌电流不超过10mA，并且TLV316-Q1在图7所示实例中还支持短路到电源情况的诊断，如图8所示来自于规格书的曲线所示，正常输入范围在0.15V-1.7V，短路到电源情况下输入超过供电电压，输出电压会接近负电源轨，本例中，可以选取1.75V作为短路到电源的诊断阈值。
图 10 TLV316-Q1非反相跟随特性曲线因此，TLV316-Q1不仅适合作为提供踏板传感器输入信号高输入阻抗、低输出阻抗的需求，还可以支持短路到电源的保护和诊断。