引言

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?，F(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，功耗以及怎么樣監(jiān)視功耗變得越來越重要了。準確監(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，都有可能擔心行車距離問題，因為到達目的地之前，汽車電池電量可能耗盡的問題無時不在?；旌想妱有推囓囍饔幸揽科蛣恿σ嫘旭偦丶业膬?yōu)勢，而電動型汽車只能在充電站充電，眼下充電站稀少，而且要幾個小時，電池才能充好電。因此持續(xù)、準確地監(jiān)視每個電子子系統(tǒng)的功耗是很重要的?；诒O(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，預測故障以防故障發(fā)生，標出要發(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，就要持續(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。假如ADC輸入范圍小于所監(jiān)視的電壓，那么也許要一個電阻分壓器(圖1)。為了測量電流，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，以出現(xiàn)一個以地為基準并與負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，全標度檢測電壓限制為幾十毫伏。因此，放大器輸入失調(diào)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，要在一按時間內(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，從而出現(xiàn)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，但是要充電泵，以提高柵極電壓，使其高于輸入電壓。例如，12V輸入要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

常見的電源總線也要針對短路和過載故障供應(yīng)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。這種方法取代了保險絲，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，采用集成式解決方法。

集成式電源控制與遙測解決方法

LTC4282是一款可熱插拔的控制器和電路斷路器，供應(yīng)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，從而防止出現(xiàn)輸入電源干擾以及電流達到破壞性水平，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)供應(yīng)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。按時器到了按時時間后，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難性損壞，這些MOSFET受到持續(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，可是它為負載電流供應(yīng)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以降低導通電阻，但是所有這些MOSFET都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。關(guān)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MOSFETSOA要求與導通電阻脫鉤。大的SOA關(guān)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MOSFET柵極完全接通時，低的導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MOSFETSOA通常隨著導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，為負載電流供應(yīng)一條低導通電阻路徑，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)力分級起動配置供應(yīng)，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載并供應(yīng)計時周期較長的故障按時器，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)用供應(yīng)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)一直在快速新增。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)的新增還會加速，這增大了對珍貴的電池功率的需求。仔細的功耗監(jiān)視加上關(guān)閉空閑系統(tǒng)有望提高電池使用效率。通過供應(yīng)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)的功率和能耗的負擔，因此減輕了整個車輛功率和能耗的測量負擔。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)計中既供應(yīng)很大的SOA，又供應(yīng)很小的導通電阻。