安森美半導體的汽車空調自動控制方案促進節能

作者 | 發布日期 2015 年 08 月 11 日 17:35 | 分類 市場動態 , 汽車科技 follow us in feedly

空調是滿足汽車舒適性要求不可或缺的配置,用作車內製冷、取暖、通風換氣,而且舒適的駕乘環境也關乎行車安全。而自動空調比傳統的手動空調更方便,可根據使用者設定的溫度自動檢測和調節,讓車內的溫度和濕度處於設定範圍之內。而且,自動空調還有助於節能減排,提升燃油經濟性。



汽車空調典型的供電結構

一般來講,汽車電壓分為 24V 系統和 12V 系統:24V 電源可採用經大功率 TVS(瞬態電壓抑制器),然後由低壓降穩壓器(LDO)轉至5V,同時為電機驅動器供電;也可採用經成本較高的 DC-DC降壓器降至 12V,然後由 LDO 轉至5V,同時為電機驅動器供電;12V 電源經 LDO 為單片機、感測器等元件供電,同時直接為直流/步進電機等電機驅動器供電。

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▲ 汽車空調典型的供電結構。

如果採用 24V 供電系統,需要考慮高耐壓產品,同時兼顧熱管理、電源能效和成本控制等問題;如果採用 12V 供電系統,則需考慮成本、靜態電流(Iq)及封裝等因素。

安森美半導體為汽車空調系統提供豐富陣容的 LDO,其中標準靜態功耗系列(Iq > 100 uA)如 NCV4264-2、NCV4266-2,低靜態功耗系列(Iq < 100 uA)如 NCV8501、NCV8502,非常低靜態功耗系列(Iq < 50 uA)如 NCV8664、NCV8660,超低靜態功耗系列(Iq < 33 uA)如 NCV8768、NCV8769,滿足設計的不同需求。

安森美半導體還提供為感測器供電的電壓跟隨器 NCV8184,具可調節的緩衝輸出電壓,密切匹配參考輸入電壓(精度達 ±3 mV)。該器件的輸出電流能力為 70mA,靜態電流僅為 70uA,當電流為 50mA時,典型壓降僅為 0.35V,採用 SOIC-8 封裝。

 

驅動

1. 風門執行器驅動

直流電機、單極性步進電機、雙極性步進電機為汽車空調風門執行器的三種典型結構。直流電機風門執行器中包括一個直流電機和一個位置感測器,需要一個完整的 H 橋(由 2 個高邊開關和 2 個低邊開關組成 ),來控制電機的正反轉,透過內部自帶的位置感測器,可以即時的監控風門的位置,實現閉環控制;單極性步進電機的控制只需要 4 路高邊或者 4 路低邊驅動,由於步進電機本身的特性,可以通過計數步進次數來知道風門的位置;雙極性步進電機只需要兩組線圈,其驅動需要 2 個 H 橋(由 4 個高邊開關和 4 個低邊開關組成)來控制兩個線圈,與單極性步進電機類似,可以通過計數步進數來得知風門目前的位置。

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▲ 風門執行器電機結構及驅動類型。

直流電機風門執行器的正常工作電流約 100mA,堵轉電流小於 450mA,需要 H 橋驅動來改變運行方向,並提供故障診斷報告及足夠的保護功能。安森美半導體的 NCV77XX 系列完全滿足上述需求,能以正向、反向、制動及高阻抗狀態工作。以六路半橋驅動器 NCV7718 為例,6 路 PMOS 作為高邊驅動,6 路 NMOS 作為低邊驅動,高低邊在晶片內部連接,以 H 半橋作為輸出,提供 0.55A 持續驅動電流,內部集成續流二極體,導通電阻典型值和最大值分別為 1Ω 和 2.25Ω,透過 16 位元 SPI 介面控制,低功耗(最大消耗電流僅為 5 Ua ),提供驅動狀態、低負載保護、過流、過溫和溫度警告等診斷報告,並集成一系列保護特性如過壓/欠壓保護、過流關斷、過溫保護等,採用 SSOP-24/SSOP24-EP 封裝。另外,根據不同的輸出需求,可選擇安森美半導體的 8 路半橋驅動器 NCV7719 或 10 路半橋驅動器 NCV7720。安森美半導體還提供帶獨立診斷功能的 6 路半橋驅動器 NCV7728,該器件峰值電流為 0.55A,導通電阻典型值和最大值分別為 1Ω 和 2Ω,介面相容 3.3V / 5V 單片機,在睡眠模式下提供超低靜態功耗,透過 16 位元 SPI 介面控制(串列傳輸速率為 5MHz,相容菊輪鍊通信),集成續流保護、過流保護、開路檢測、過熱關斷及過溫報警等保護特性。

步進電機風門執行器中,每個電機需要 4 路驅動,最大工作電流小於 300mA,可直接控制或經由 LIN 匯流排遠端控制。安森美半導體用於汽車空調的單極性步進電機驅動器有 NCV7608 和 NCV7240。NCV7608 是 8 路高低邊可配置驅動器,每通道可提供 350mA 驅動電流,提供完善的保護功能,採用 SOIC28 封裝,通過 AEC-Q101 認證;NCV7420 是 8 路低邊驅動器,每通道可提供 600mA 驅動電流,透過 16 位元 SPI 介面控制,提供開路診斷、超載保護、過溫保護等完善的診斷和保護功能,採用 SSOP24 封裝,通過 AEC-Q100 認證。安森美半導體用於汽車空調的雙極性步進電機驅動器有 AMIS30730 和 NCV70501,這兩款器件的驅動電流均為 300mA。AMIS30730 採用 LIN 介面,內含 MCU、ROM、RAM 和 EEPROM;而 NCV70501 採用 SPI 介面。

2. 高 / 低邊驅動

SmartFET 用於外部負載(例如在中央電器盒中的繼電器)的控制,可用作高邊或低邊驅動,這些驅動自身需要額外的保護功能如短路保護、熱關斷、過壓保護、邏輯電平控制和 ESD 保護等。安森美半導體的 NCV8452 是一款高邊 SmartFET,該器件的導通電阻為 200mΩ,過壓保護等級為 41V,輸出電流限制值為 1A,集成了豐富的保護特性,如短路保護、超載保護、過溫關斷及自動重啟、內部鉗位二極體過壓保護、ESD 保護及邏輯電平控制等,結溫 -40~150 ℃。安森美半導體用作高 / 低邊智慧驅動的器件還有 NCV8440、NCV8450、NCV8401 / 2 / 3 / 5 / 6,提供不同的鉗位元電壓、導通電阻、輸出電流等參數。

3. 鼓風機驅動

鼓風機分為兩大類:有刷直流電機和無刷直流電機(BLDC)。有刷直流電機最大工作電流為 30A,採用 PWM 控制,含功率 MOSFET;而 BLDC 電機需要用到預驅動器、功率 MOSFET。安森美半導體所示的用於有刷直流電機和 BLDC 驅動的 N 溝道功率 MOSFET,以及用於 BLDC 電機的三相預驅動器,如 LV8907UW 及 MC33033 / 5 等。為幫助工程師簡化設計、節省空間,安森美半導體還提供集成預驅動器和功率 MOSFET 的智慧功率模組 STK984-xxx 系列,內部集成電機驅動演算法器、6 個 MOSFET 及驅動電路,透過 PWM 或電壓調速,提供 OTP 寄存器用於電機參數配置,支援模組化進行無 PCB 設計,並集成過流保護、過溫保護、過壓 / 欠壓保護等完善的保護特性。

4. LED 驅動——CCR

安森美半導體的恒流穩流器 (CCR)用於驅動汽車空調系統中的 LED,這類器件內置 LED 熱保護,可替代低成本 LDO,降低系統成本,由於沒有 EMI(電磁干擾),適用於低雜訊系統,在寬輸入電壓範圍內提供恒定電流,可抑制由於電壓波動引起的LED亮度變化。該系列器件包括兩端固定輸出版本及三端可調節輸出版本,如 NSI50010YT1G、NSI45015WT1G、NSI45020T1G、NSI45020AT1G 及 NSI45020JZT1G 等。

 

匯流排收發器

LIN / CAN 匯流排用於實現汽車中的分散式電子系統控制。針對這類應用,安森美半導體提供 LIN / CAN 收發器,如 NCV7321、NCV7342,這些器件都符合 IEC61000-4-2 標準,其中 NCV7342 的系統 ESD 保護能力高於 15kV,短路電流不超過 100mA,提供優異的電磁相容(EMC)性能,甚至無需共模扼流圈。

 

系統基礎晶片

系統基礎晶片(SBC)是指集成車載網路(如 LIN、CAN、FLEXRAY)、電源(如線性穩壓器、DC-DC 穩壓器)、監控(如看門狗、SPI、狀態、中斷),以及 I/O(如高邊、低邊、LED 等)的系統化晶片方案。安森美半導體用於汽車空調的 SBC 如 NCV7420 / 5 / 8,是集成 LDO 的 LIN 收發器,輸出電流分別為 50mA、150mA、70mA。

 

結語

汽車自動空調帶來的舒適和節能是消費者及汽車設計工程師所關注的,安森美半導體應用於汽車空調的豐富產品陣容包括電源供電、電機驅動、SmartFET、分立器件等,經過嚴格的汽車級產品認證,具備高性能和高可靠性,有助於實現汽車空調系統的高效節能,為消費者帶來舒適的駕乘體驗。 

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