汽車電源監(jiān)視和控制功耗的幾種方法解析

在如今的汽車中，為了提高舒適度和行車體驗而設(shè)計了座椅加熱、空調(diào)、導(dǎo)航、信息娛樂、行車安全等系統(tǒng)，從這些系統(tǒng)很容易理解在車中為各種功能供電的電子系統(tǒng)的好處。現(xiàn)在我們很難想像僅僅 100 多年以前的景象，那時，在汽油動力汽車中，一個電子組件都沒有。在世紀(jì)交替時期的汽車開始有了手搖曲柄，前燈開始用乙炔氣照明，也可以用鈴聲向行人發(fā)出提示信息了。如今的汽車正處于徹底變成電子系統(tǒng)的交界點，最大限度減少了機械系統(tǒng)的采用，正在成為人們生活中最大、最昂貴的“數(shù)字化工具”。由于可用性和環(huán)保原因，以及提高內(nèi)燃型、混合動力型和全電動型汽車行車安全的需求，市場逐步減少了對汽油的依賴，這正是“數(shù)字化”轉(zhuǎn)變的驅(qū)動力。

隨著越來越多的機械系統(tǒng)被電子系統(tǒng)取代，功耗以及怎樣監(jiān)視功耗變得越來越重要了。準(zhǔn)確監(jiān)視電動型汽車的功耗最終會讓司機心里更踏實。任何人只要駕駛了全電動型汽車，都有可能擔(dān)心行車距離問題，因為到達(dá)目的地之前，汽車電池電量可能耗盡的問題無時不在。混合電動型汽車車主有依靠汽油動力引擎行駛回家的優(yōu)勢，而電動型汽車只能在充電站充電，眼下充電站稀少，而且需要幾個小時，電池才能充好電。因此連續(xù)、準(zhǔn)確地監(jiān)視每個電子子系統(tǒng)的功耗是很重要的�；�于監(jiān)視所得的信息，還可以建議正在路上行駛的司機，節(jié)省電池電量以延長行駛距離。斷開空閑模塊與電源總線的連接可以進一步節(jié)省功耗。監(jiān)視子系統(tǒng)的電流和功率，還可以揭示有關(guān)車輛長期性能的任何異常趨勢，預(yù)測故障以防故障發(fā)生，標(biāo)出需要發(fā)送給汽車修理店的服務(wù)請求。診斷系統(tǒng)也可以從功率和能量監(jiān)視中受益，通過故障記錄和無線數(shù)據(jù)訪問，可以快速調(diào)試，并減少修理費用和宕機時間。

監(jiān)視和控制功耗的幾種方法

要監(jiān)視電子系統(tǒng)的功耗，就需要連續(xù)測量電流和電壓。電壓可以直接用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 測量。如果 ADC 輸入范圍小于所監(jiān)視的電壓，那么也許需要一個電阻分壓器 (圖 1)。為了測量電流，需要在電源通路中放置一個檢測電阻器，再測量其壓降。如圖 1 所示，跨導(dǎo)放大器將高壓側(cè)檢測電壓轉(zhuǎn)換成電流輸出，該電流流經(jīng)增益設(shè)定電阻器，以產(chǎn)生一個以地為基準(zhǔn)并與負(fù)載電流成比例以及適合饋送給 ADC 的電壓。為了最大限度降低功耗，全標(biāo)度檢測電壓限制為幾十毫伏。因此，放大器輸入失調(diào)需要低于 100µV。為了計算功率，必須使用通過 ADC 數(shù)字接口訪問 ADC 數(shù)據(jù)的微控制器或處理器，以實現(xiàn)電壓讀數(shù)和電流讀數(shù)相乘。要監(jiān)視能耗，需要在一定時間內(nèi)累計 (相加) 功率讀數(shù)。

 

 

圖 1：測量電源軌上的輸入電壓和負(fù)載電流 (檢測電壓)

為了開關(guān)電源，一般在汽車電路中會使用機電繼電器。為了節(jié)省空間，會用 N 溝道和 P 溝道 MOSFET 等固態(tài)開關(guān)取代繼電器，從而產(chǎn)生所有組件都在同一塊電路板上、可以統(tǒng)一采用再流焊工藝組裝的 PCB 設(shè)計。P 溝道 MOSFET 通過拉低其柵極電平而接通，通過將柵極連接至輸入電壓而斷開。與 N 溝道 MOSFET 相比，P 溝道 MOSFET 在導(dǎo)通電阻相同時成本更高，而且其選擇范圍很窄，限于較大電流值 (高于 10A) 情況。N 溝道 MOSFET 是應(yīng)對大電流的最佳選擇，但是需要充電泵，以提高柵極電壓，使其高于輸入電壓。例如，12V 輸入需要 22V 柵極電壓，即 MOSFET 柵極要高出輸入 10V。圖 2 顯示了一個電源開關(guān)電路的實現(xiàn)。

 

 

圖 2：用 N 溝道 MOSFET 實現(xiàn)電源軌的接通 / 斷開

常見的電源總線也需要針對短路和過載故障提供保護，這類故障可能在任何板卡或模塊中出現(xiàn)。為了實現(xiàn)電路斷路器功能，可以比較圖 1 中放大器的輸出和一個過流門限，以斷開圖 2 中的柵極驅(qū)動器。這種方案取代了保險絲，因為保險絲反應(yīng)速度慢、容限太寬且熔斷后需要更換。為了節(jié)省電路板空間，人們希望在開關(guān)、保護和監(jiān)視汽車電源總線中的功率流動時，采用集成式解決方案。

集成式電源控制與遙測解決方案

LTC4282 是一款可熱插拔的控制器和電路斷路器，提供能量遙測功能和 EEPROM (圖 3)，憑借創(chuàng)新性雙電流通路特色，滿足了大電流應(yīng)用的需求。該控制器通過控制外部 N 溝道 MOSFET，可平滑地給大容量電容器加電，從而避免出現(xiàn)輸入電源干擾以及電流達(dá)到破壞性水平，因此可確保電源在 2.9V 至 33V 范圍內(nèi)安全接通和斷開。LTC4282 位于通往電路板電源的入口，其準(zhǔn)確度為 0.7% 的 12 位或 16 位 ADC 通過一個 I2C/SMBus 數(shù)字接口報告電路板電壓、電流、功率和能耗。內(nèi)部 EEPROM 為寄存器設(shè)置和故障記錄數(shù)據(jù)提供非易失性存儲，從而可在開發(fā)過程中及現(xiàn)場運行時，加速調(diào)試和故障分析。

 

 

圖 3：具功率 / 能量遙測功能和 EEPROM 的 LTC4282 電路斷路器

LTC4282 具準(zhǔn)確度為 2% 的電流限制電路斷路器，最大限度減少了過流設(shè)計，這在大功率時更加重要。在出現(xiàn)過流情況時，LTC4282 折返電流限制，以在可調(diào)超時時間內(nèi)保持恒定 MOSFET 功耗。定時器到了定時時間后，電路斷路器斷開故障模塊和公用電源總線的連接�？臻e模塊也可以斷開與電源總線的連接以節(jié)省功率。能夠以數(shù)字方式配置的電路斷路器門限允許隨負(fù)載變化進行動態(tài)調(diào)節(jié)，方便了小電阻值檢測電阻器的選擇。所監(jiān)視電氣參數(shù)的最小值和最大值都記錄下來，當(dāng)超過 8 位可調(diào)門限時，就發(fā)出警示信號。為了防止給電路板造成災(zāi)難性損壞，這些 MOSFET 受到連續(xù)監(jiān)視，以發(fā)現(xiàn)異常情況，例如低柵極電壓和漏-源短路或大的壓差。

SOA 共享路徑

雖然 LTC4282 控制單個電源，可是它為負(fù)載電流提供了兩條平行的電流限制路徑。采用傳統(tǒng)單路控制器的大電流電路板使用多個并聯(lián)的 MOSFET 以降低導(dǎo)通電阻，但是所有這些 MOSFET 都需要具有大的安全工作區(qū) (SOA) 以安然承受過流故障，這是因為不能假設(shè)并聯(lián)的 MOSFET 在電流限制期間分擔(dān)電流。另外，MOSFET 的選擇范圍在較高的電流水平上變窄，價格走高，而且 SOA 的水平跟不上 RDS(ON) 的下降。通過把電流分離到兩條精準(zhǔn)匹配的電流限制路徑之中，LTC4282 可確保兩組 MOSFET 即使在過載情況下也將均分電流。對于 100A 應(yīng)用，每條路徑的設(shè)計電流限值為 50A，因而把 SOA 要求減低了一半，拓寬了 MOSFET 的選擇范圍，并降低了其成本。這被稱為一種 “匹配” 或 “并聯(lián)” 配置，因為兩條路徑是采用相似的 MOSFET 和檢測電阻器設(shè)計的。

此外，LTC4282 的雙電流路徑還用于使 MOSFET SOA 要求與導(dǎo)通電阻脫鉤。大的 SOA 對于啟動浪涌、電流限制和輸入電壓階躍等具有巨大應(yīng)力的情況是很重要的。當(dāng) MOSFET 柵極完全接通時，低的導(dǎo)通電阻可降低正常操作期間的電壓降和功率損耗。不過，這些是存在沖突的要求，因為 MOSFET SOA 通常隨著導(dǎo)通電阻的改善而變差。LTC4282 允許采用一條具有一個能處理應(yīng)力情況之 MOSFET 的路徑，和另一條具有低導(dǎo)通電阻 MOSFET 的路徑。這被稱為一種分級起動配置。一般來說，在啟動、電流限制和輸入電壓階躍期間應(yīng)力處理路徑接通，而 RDS(ON) 路徑則保持關(guān)斷。RDS(ON) 路徑在正常操作過程中接通以旁路應(yīng)力路徑，為負(fù)載電流提供一條低導(dǎo)通電阻路徑，從而減少電壓降和功率損耗。視啟動時 MOSFET 應(yīng)力大小的不同，有兩種分級起動配置，即低應(yīng)力 (圖 4) 和高應(yīng)力。高應(yīng)力分級起動配置推薦用于 50A 以下的應(yīng)用電流水平，而并聯(lián)和低應(yīng)力分級起動配置則推薦用于 50A 以上的應(yīng)用。與單路徑設(shè)計相比，最低的 MOSFET 成本由低應(yīng)力分級起動配置提供，代價是在瞬變情況下不間斷運行的能力受限，而且不能利用負(fù)載電流完成啟動。并聯(lián)和高應(yīng)力分級起動配置可啟動一個負(fù)載并提供計時周期較長的故障定時器，可在持續(xù)時間較長的過載條件和輸入電壓階躍情況下不間斷地運行。

 

 

圖 4a：低應(yīng)力分級起動配置可為 >50A 的應(yīng)用提供最低的成本

 

 

圖 4b：利用低應(yīng)力分級起動配置實現(xiàn)啟動：GATE1 首先接通以對輸出進行涓流充電 (具有一個 2A 的低浪涌電流水平)。GATE2 在 SOURCE (輸出) 變至高于電源良好門限時接通。

結(jié)論

在過去 20 年，在動力轉(zhuǎn)向、ABS 剎車、便利性、行車安全、娛樂等功能的驅(qū)動下，汽車中采用的電子系統(tǒng)一直在快速增加。隨著汽車向全面互聯(lián)和完全自主行駛的方向發(fā)展，電子系統(tǒng)的增加還會加速，這增大了對珍貴的電池功率的需求。仔細(xì)的功耗監(jiān)視加上關(guān)閉空閑系統(tǒng)有望提高電池使用效率。通過提供電路板級電氣數(shù)據(jù)，LTC4282 電路斷路器減輕了測量每個子系統(tǒng)的功率和能耗的負(fù)擔(dān)，因此減輕了整個車輛功率和能耗的測量負(fù)擔(dān)。憑借其新穎和能夠以多種方式配置的雙電流通路，LTC4282 極大地方便了大電流千瓦級電路板的設(shè)計，允許在同一設(shè)計中既提供很大的 SOA，又提供很小的導(dǎo)通電阻。