汽車電源的監(jiān)視和開關(guān)

引言

在如今的汽車中，為了提高舒適度和行車體驗(yàn)而設(shè)計(jì)了座椅加熱、空調(diào)、導(dǎo)航、信息娛樂(lè)、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?，F(xiàn)在我們很難想像僅僅 100 多年以前的景象，那時(shí)，在汽油動(dòng)力汽車中，一個(gè)電子組件都沒(méi)有。在世紀(jì)交替時(shí)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(diǎn)，最大限度減少了機(jī)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(dòng)力型和全電動(dòng)型汽車行車安全的需求，市場(chǎng)逐步減少了對(duì)汽油的依賴，這正是“數(shù)字化”轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力。

隨著越來(lái)越多的機(jī)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(lái)越重要了。準(zhǔn)確監(jiān)視電動(dòng)型汽車的功耗最終會(huì)讓司機(jī)心里更踏實(shí)。任何人只要駕駛了全電動(dòng)型汽車，都有可能擔(dān)心行車距離問(wèn)題，因?yàn)榈竭_(dá)目的地之前，汽車電池電量可能耗盡的問(wèn)題無(wú)時(shí)不在。混合電動(dòng)型汽車車主有依靠汽油動(dòng)力引擎行駛回家的優(yōu)勢(shì)，而電動(dòng)型汽車只能在充電站充電，眼下充電站稀少，而且需要幾個(gè)小時(shí)，電池才能充好電。因此連續(xù)、準(zhǔn)確地監(jiān)視每個(gè)電子子系統(tǒng)的功耗是很重要的。基于監(jiān)視所得的信息，還可以建議正在路上行駛的司機(jī)，節(jié)省電池電量以延長(zhǎng)行駛距離。斷開空閑模塊與電源總線的連接可以進(jìn)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(zhǎng)期性能的任何異常趨勢(shì)，預(yù)測(cè)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(qǐng)求。診斷系統(tǒng)也可以從功率和能量監(jiān)視中受益，通過(guò)故障記錄和無(wú)線數(shù)據(jù)訪問(wèn)，可以快速調(diào)試，并減少修理費(fèi)用和宕機(jī)時(shí)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(cè)量電流和電壓。電壓可以直接用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 測(cè)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(gè)電阻分壓器 (圖 1)。為了測(cè)量電流，需要在電源通路中放置一個(gè)檢測(cè)電阻器，再測(cè)量其壓降。如圖 1 所示，跨導(dǎo)放大器將高壓側(cè)檢測(cè)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(gè)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(cè)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(jì)算功率，必須使用通過(guò) ADC 數(shù)字接口訪問(wèn) ADC 數(shù)據(jù)的微控制器或處理器，以實(shí)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(shí)間內(nèi)累計(jì) (相加) 功率讀數(shù)。

圖 1：測(cè)量電源軌上的輸入電壓和負(fù)載電流 (檢測(cè)電壓)

為了開關(guān)電源，一般在汽車電路中會(huì)使用機(jī)電繼電器。為了節(jié)省空間，會(huì)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(jì)。P 溝道 MOSFET 通過(guò)拉低其柵極電平而接通，通過(guò)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(shí)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(duì)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(gè)電源開關(guān)電路的實(shí)現(xiàn)。

圖 2：用 N 溝道 MOSFET 實(shí)現(xiàn)電源軌的接通 / 斷開

常見(jiàn)的電源總線也需要針對(duì)短路和過(guò)載故障提供保護(hù)，這類故障可能在任何板卡或模塊中出現(xiàn)。為了實(shí)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(gè)過(guò)流門限，以斷開圖 2 中的柵極驅(qū)動(dòng)器。這種方案取代了保險(xiǎn)絲，因?yàn)楸ｋU(xiǎn)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(hù)和監(jiān)視汽車電源總線中的功率流動(dòng)時(shí)，采用集成式解決方案。

集成式電源控制與遙測(cè)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(cè)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(guò)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(guò)一個(gè) I²C/SMBus 數(shù)字接口報(bào)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(chǔ)，從而可在開發(fā)過(guò)程中及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，加速調(diào)試和故障分析。

圖 3：具功率 / 能量遙測(cè)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(guò)流設(shè)計(jì)，這在大功率時(shí)更加重要。在出現(xiàn)過(guò)流情況時(shí)，LTC4282 折返電流限制，以在可調(diào)超時(shí)時(shí)間內(nèi)保持恒定 MOSFET 功耗。定時(shí)器到了定時(shí)時(shí)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(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，方便了小電阻值檢測(cè)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(lái)，當(dāng)超過(guò) 8 位可調(diào)門限時(shí)，就發(fā)出警示信號(hào)。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(gè)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(gè)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(guò)流故障，這是因?yàn)椴荒芗僭O(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(jià)格走高，而且 SOA 的水平跟不上 R_DS(ON) 的下降。通過(guò)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(guò)載情況下也將均分電流。對(duì)于 100A 應(yīng)用，每條路徑的設(shè)計(jì)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?yàn)閮蓷l路徑是采用相似的 MOSFET 和檢測(cè)電阻器設(shè)計(jì)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(duì)于啟動(dòng)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(shí)，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(guò)，這些是存在沖突的要求，因?yàn)?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(gè)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(jí)起動(dòng)配置。一般來(lái)說(shuō)，在啟動(dòng)、電流限制和輸入電壓階躍期間應(yīng)力處理路徑接通，而 R_DS(ON) 路徑則保持關(guān)斷。R_DS(ON) 路徑在正常操作過(guò)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(dòng)時(shí) MOSFET 應(yīng)力大小的不同，有兩種分級(jí)起動(dòng)配置，即低應(yīng)力 (圖 4) 和高應(yīng)力。高應(yīng)力分級(jí)起動(dòng)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(jí)起動(dòng)配置則推薦用于 50A 以上的應(yīng)用。與單路徑設(shè)計(jì)相比，最低的 MOSFET 成本由低應(yīng)力分級(jí)起動(dòng)配置提供，代價(jià)是在瞬變情況下不間斷運(yùn)行的能力受限，而且不能利用負(fù)載電流完成啟動(dòng)。并聯(lián)和高應(yīng)力分級(jí)起動(dòng)配置可啟動(dòng)一個(gè)負(fù)載并提供計(jì)時(shí)周期較長(zhǎng)的故障定時(shí)器，可在持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的過(guò)載條件和輸入電壓階躍情況下不間斷地運(yùn)行。

圖 4a：低應(yīng)力分級(jí)起動(dòng)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(jí)起動(dòng)配置實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)：GATE1 首先接通以對(duì)輸出進(jìn)行涓流充電 (具有一個(gè) 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(shí)接通。

結(jié)論

在過(guò)去 20 年，在動(dòng)力轉(zhuǎn)向、ABS 剎車、便利性、行車安全、娛樂(lè)等功能的驅(qū)動(dòng)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(huì)加速，這增大了對(duì)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(guò)提供電路板級(jí)電氣數(shù)據(jù)，LTC4282 電路斷路器減輕了測(cè)量每個(gè)子系統(tǒng)的功率和能耗的負(fù)擔(dān)，因此減輕了整個(gè)車輛功率和能耗的測(cè)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(jí)電路板的設(shè)計(jì)，允許在同一設(shè)計(jì)中既提供很大的 SOA，又提供很小的導(dǎo)通電阻。