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汽车电源的监视和开关
[发布时间]:2017年12月8日 [来源]:半导体器件应用网 [点击率]:1852
【导读】: 引言在如今的汽车中,为了提高舒适度和行车体验而设计了座椅加热、空调、导航、信息娱乐、行车安全等系统,从这些系统很容易理解在车中为各种功能供电的电子系统的好处。现在我们很难想像仅仅 100 多年以前...

  引言

  在如今的汽车中,为了提高舒适度和行车体验而设计了座椅加热、空调、导航、信息娱乐、行车安全等系统,从这些系统很容易理解在车中为各种功能供电的电子系统的好处。现在我们很难想像仅仅 100 多年以前的景象,那时,在汽油动力汽车中,一个电子组件都没有。在世纪交替时期的汽车开始有了手摇曲柄,前灯开始用乙炔气照明,也可以用铃声向行人发出提示信息了。如今的汽车正处于彻底变成电子系统的交界点,最大限度减少了机械系统的采用,正在成为人们生活中最大、最昂贵的“数字化工具”。由于可用性和环保原因,以及提高内燃型、混合动力型和全电动型汽车行车安全的需求,市场逐步减少了对汽油的依赖,这正是“数字化”转变的驱动力。

  随着越来越多的机械系统被电子系统取代,功耗以及怎样监视功耗变得越来越重要了。准确监视电动型汽车的功耗最终会让司机心里更踏实。任何人只要驾驶了全电动型汽车,都有可能担心行车距离问题,因为到达目的地之前,汽车电池电量可能耗尽的问题无时不在。混合电动型汽车车主有依靠汽油动力引擎行驶回家的优势,而电动型汽车只能在充电站充电,眼下充电站稀少,而且需要几个小时,电池才能充好电。因此连续、准确地监视每个电子子系统的功耗是很重要的。基于监视所得的信息,还可以建议正在路上行驶的司机,节省电池电量以延长行驶距离。断开空闲模块与电源总线的连接可以进一步节省功耗。监视子系统的电流和功率,还可以揭示有关车辆长期性能的任何异常趋势,预测故障以防故障发生,标出需要发送给汽车修理店的服务请求。诊断系统也可以从功率和能量监视中受益,通过故障记录和无线数据访问,可以快速调试,并减少修理费用和宕机时间。

  监视和控制功耗的几种方法

  要监视电子系统的功耗,就需要连续测量电流和电压。电压可以直接用模数转换器 (ADC) 测量。如果 ADC 输入范围小于所监视的电压,那么也许需要一个电阻分压器 (图 1)。为了测量电流,需要在电源通路中放置一个检测电阻器,再测量其压降。如图 1 所示,跨导放大器将高压侧检测电压转换成电流输出,该电流流经增益设定电阻器,以产生一个以地为基准并与负载电流成比例以及适合馈送给 ADC 的电压。为了最大限度降低功耗,全标度检测电压限制为几十毫伏。因此,放大器输入失调需要低于100µV。为了计算功率,必须使用通过 ADC 数字接口访问 ADC 数据的微控制器或处理器,以实现电压读数和电流读数相乘。要监视能耗,需要在一定时间内累计 (相加) 功率读数。

图 1:测量电源轨上的输入电压和负载电流 (检测电压)

  为了开关电源,一般在汽车电路中会使用机电继电器。为了节省空间,会用 N 沟道和 P 沟道 MOSFET 等固态开关取代继电器,从而产生所有组件都在同一块电路板上、可以统一采用再流焊工艺组装的 PCB 设计。P 沟道 MOSFET 通过拉低其栅极电平而接通,通过将栅极连接至输入电压而断开。与 N 沟道 MOSFET 相比,P 沟道 MOSFET 在导通电阻相同时成本更高,而且其选择范围很窄,限于较大电流值 (高于 10A)情况。N 沟道 MOSFET 是应对大电流的最佳选择,但是需要充电泵,以提高栅极电压,使其高于输入电压。例如,12V 输入需要 22V栅极电压,即 MOSFET 栅极要高出输入 10V。图 2 显示了一个电源开关电路的实现。

图 2:用 N 沟道 MOSFET 实现电源轨的接通/断开

  常见的电源总线也需要针对短路和过载故障提供保护,这类故障可能在任何板卡或模块中出现。为了实现电路断路器功能,可以比较图 1 中放大器的输出和一个过流门限,以断开图 2 中的栅极驱动器。这种方案取代了保险丝,因为保险丝反应速度慢、容限太宽且熔断后需要更换。为了节省电路板空间,人们希望在开关、保护和监视汽车电源总线中的功率流动时,采用集成式解决方案。

  集成式电源控制与遥测解决方案

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