安森美半導(dǎo)體用于汽車空調(diào)系統(tǒng)的高能效方案

汽車空調(diào)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)對(duì)車廂內(nèi)空氣進(jìn)行制冷、加熱、換氣和空氣凈化的裝置，可以為乘車人員提供舒適的乘車環(huán)境，降低駕駛員的疲勞強(qiáng)度，提高行車安全。今天，空調(diào)裝置已成為衡量汽車功能是否齊全的標(biāo)志之一。安森美半導(dǎo)體一直致力于滿足汽車空調(diào)中越來越苛刻的需求，以優(yōu)秀的產(chǎn)品不斷提高汽車空調(diào)系統(tǒng)的安全性、可靠性及燃油經(jīng)濟(jì)性。

汽車空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及供電要求

現(xiàn)代汽車空調(diào)系統(tǒng)由制冷系統(tǒng)、供暖系統(tǒng)、通風(fēng)和空氣凈化裝置及控制系統(tǒng)等組成。圖1中的綠色部分是安森美半導(dǎo)體為汽車空調(diào)系統(tǒng)提供的各種器件。

圖1：安森美半導(dǎo)體為汽車空調(diào)系統(tǒng)提供的器件(綠色方框)

汽車空調(diào)系統(tǒng)典型的供電架構(gòu)是為微控制器(MCU，亦俗稱“單片機(jī)”)、傳感器及其他板載控制芯片、LED供電。通常，單片機(jī)消耗電流一般小于50mA;風(fēng)門位置傳感器、光線傳感器、溫度傳感器等需要的電流也小于50 mA;板載控制芯片，如A/D芯片、總線并轉(zhuǎn)串或運(yùn)放等也是這樣;作為背光和按鈕顯示的LED的電流消耗取決于按鈕的數(shù)量及整體亮度，通常與單片機(jī)相關(guān)。所以，整個(gè)系統(tǒng)的電流一般在150mA以內(nèi)。

24 V系統(tǒng)電源供電需要考慮高耐壓產(chǎn)品，滿足熱管理要求，以及電源效率和成本控制等問題。其結(jié)構(gòu)有兩種，一種是24 V電源經(jīng)大功率TVS(瞬態(tài)電壓抑制器)，由低壓降穩(wěn)壓器(LDO)轉(zhuǎn)換為5 V，同時(shí)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電，TVS可用來防止易受攻擊的電路受到電氣過應(yīng)力及快速過電壓的影響;另一種是24 V電源經(jīng)成本較高的DC/DC降壓到12 V，再經(jīng)LDO轉(zhuǎn)換為5 V并為電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電。

12 V系統(tǒng)電源供電經(jīng)LDO為MCU、傳感器及其他器件供電，同時(shí)直接為DC電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電。12 V系統(tǒng)要考慮的是系統(tǒng)成本、低靜態(tài)電流(Iq)和封裝。適用于汽車空調(diào)的LDO包括NCV4264-2、NCV8660B、NCV8664、NCV8669、NCV4269A、NCV4279A、NCV4299、NCV4299AD、NCV4266、NCV8501、NCV8502、NCV2931、NCV8768和NCV8769。

安森美半導(dǎo)體還提供為傳感器供電、具有完善保護(hù)功能的電壓跟隨器，如NCV8184。這是一款單片LDO跟隨穩(wěn)壓器，提供可調(diào)節(jié)的緩沖輸出電壓，可密切匹配參考輸入電壓(精度可達(dá)±3 mV)。該器件的輸出電流能力(Iout)為70 mA，在50 mA電流時(shí)的典型壓降僅為0.35 V;靜態(tài)電流僅為70 μA，并有使能引腳。

圖2：電壓跟隨器框圖

豐富的汽車空調(diào)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案

汽車空調(diào)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的對(duì)象主要有風(fēng)門執(zhí)行器、智能高低邊、鼓風(fēng)機(jī)和LED。

1. 風(fēng)門執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)

風(fēng)門執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因不同整車廠的配置需求而異，有直流電機(jī)、單極性步進(jìn)電機(jī)及雙極性步進(jìn)電機(jī)幾種。直流電機(jī)集成了位置傳感器，將風(fēng)門位置信號(hào)反饋給單片機(jī)。為控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，需要使用2個(gè)高邊(HS)開關(guān)及2個(gè)低邊(LS)開關(guān)組成全橋電路。通常，這些高邊或低邊開關(guān)已經(jīng)集成各種完善的保護(hù)，如過壓保護(hù)、過載保護(hù)及過溫保護(hù)等。單極性步進(jìn)電機(jī)需使用4個(gè)低邊開關(guān)，而雙極性步進(jìn)電機(jī)需使用4個(gè)高邊開關(guān)和4個(gè)低邊開關(guān)來驅(qū)動(dòng)。

直流電機(jī)風(fēng)門執(zhí)行器的正常工作電流約為100 mA，最大堵轉(zhuǎn)電流小于450 mA;另外需要H橋驅(qū)動(dòng)來改變運(yùn)行方向，以及故障診斷報(bào)告功能和芯片內(nèi)保護(hù)功能。安森美半導(dǎo)體的NCV77xx系列器件(如NCV7718)可用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)風(fēng)門執(zhí)行器，其中NCV7718是一款6路半橋驅(qū)動(dòng)器，芯片內(nèi)部連接了高低邊，以H半橋作為輸出。

該器件以6路PMOS作為高邊驅(qū)動(dòng)，6路NMOS作為低邊驅(qū)動(dòng)，能夠提供0.55 A持續(xù)驅(qū)動(dòng)電流，內(nèi)部集成了續(xù)流二極管。NCV7718最大功耗僅為5 μA，能以正向、反向、制動(dòng)及高阻態(tài)工作，通過16位SPI接口控制，帶有專門設(shè)計(jì)用于汽車及工業(yè)運(yùn)行控制應(yīng)用的保護(hù)功能，如欠壓及過壓鎖定、過流關(guān)斷、過溫保護(hù)、診斷、驅(qū)動(dòng)狀態(tài)、低負(fù)載保護(hù)及故障報(bào)告等。

圖3：NCV7718 6路半橋驅(qū)動(dòng)

安森美半導(dǎo)體還提供用于汽車空調(diào)的單極性及雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。單極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括NCV7608和NCV7240等。NCV7608是8路高低邊可配置驅(qū)動(dòng)器，每通道能提供350 mA驅(qū)動(dòng)電流及完善的保護(hù)功能;NCV7240是8路低邊驅(qū)動(dòng)器，每通道能提供600 mA驅(qū)動(dòng)電流，可采用16位SPI接口控制，具有完善的保護(hù)功能(如開路診斷、過載保護(hù)及過溫保護(hù)等)。這兩款器件分別采用SOIC28和SSOP24封裝。

圖4：汽車空調(diào)雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器AMIS30730

雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括AMIS-30730和NCV70501等。AMIS-30730是LIN接口單芯片智能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方案，驅(qū)動(dòng)電流為300 mA，內(nèi)部包含MCU、ROM、RAM、EEPROM。NCV70501是SPI接口步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電流為300 mA，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣風(fēng)門的低噪聲設(shè)計(jì)，可以通過設(shè)置內(nèi)部寄存器來改變電機(jī)的方向和步數(shù)等。

圖5：汽車空調(diào)雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器NCV70501

2. 智能高低邊驅(qū)動(dòng)

SmartFET是用于外部負(fù)載(如中央電器盒中的繼電器)的高/低邊驅(qū)動(dòng)。這些驅(qū)動(dòng)自身需要額外的保護(hù)功能，如短路保護(hù)、熱關(guān)斷(有或者沒有自動(dòng)恢復(fù)功能)、過壓保護(hù)、邏輯電平控制(單片機(jī)直接控制)和ESD保護(hù)等。安森美半導(dǎo)體的高/低邊智能驅(qū)動(dòng)器件有NCV8440、NCV8440、NCV8401、NCV8402、NCV8403、NCV8406等低邊驅(qū)動(dòng)器，以及NCV8450、NCV8452等高邊驅(qū)動(dòng)器。這些器件是帶保護(hù)的MOSFET，在其基礎(chǔ)上增加了多種保護(hù)功能及高邊或低邊驅(qū)動(dòng)等。例如，NCV8452高邊SmartFET，器件的導(dǎo)通阻抗為200 mΩ，過壓保護(hù)等級(jí)為41 V，輸出電流限制值為1 A，集成了豐富的保護(hù)特性，如短路保護(hù)、過載保護(hù)、過溫關(guān)斷及自動(dòng)重啟、內(nèi)部鉗位二極管過壓保護(hù)、ESD保護(hù)及邏輯電平控制等。

圖6：NCV8452高邊SmartFET框圖

3. 鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)

鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)包含有刷直流電機(jī)及無刷直流電機(jī)(BLDC)等類型。有刷直流電機(jī)采用PWM控制，最大工作電流為30 A，需要功率MOSFET。無刷直流電機(jī)需要用到預(yù)驅(qū)動(dòng)器及功率MOSFET。安森美半導(dǎo)體提供用于無刷直流電機(jī)的三相預(yù)驅(qū)動(dòng)器，如LV8901、LV8902及MC33033/5等。安森美半導(dǎo)體還提供用于鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的一系列功率MOSFET，如NVB5860N/NL、NVMFS5830NL、NVMFS5832NL、NVB5404N、NVB5405N、NVD5802及NVD5890N等。

圖7：三相電機(jī)預(yù)驅(qū)動(dòng)

4. LED驅(qū)動(dòng)

安森美半導(dǎo)體采用恒流穩(wěn)流器(CCR)的LED驅(qū)動(dòng)器可用來驅(qū)動(dòng)汽車空調(diào)應(yīng)用中的LED。其中包括適合低噪聲系統(tǒng)的雙端可調(diào)節(jié)輸出版本及三端可調(diào)節(jié)輸出版本。這些器件內(nèi)置LED熱保護(hù)，能夠替代低成本LDO，可抑制由于電壓波動(dòng)引起的LED亮度變化，有助于縮短設(shè)計(jì)和認(rèn)證時(shí)間。這些低電流CCR LED驅(qū)動(dòng)器包括NSI50010YT1G、NSI45015WT1G、NSI45020T1G、NSI45020AT1G及NSI45020JZT1G等。

車載總線收發(fā)器及系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片

汽車中使用的分散、分布式系統(tǒng)需要通過LIN、CAN及FlexRay™ 等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行互連。安森美半導(dǎo)體提供符合這些標(biāo)準(zhǔn)接口技術(shù)的車載總線收發(fā)器，如用于汽車空調(diào)的NCV7321 LIN收發(fā)器。該器件的最高通信速率為20 kbps，具備高壓模擬和數(shù)字功能，符合歐洲LIN物理層規(guī)范2.1版及美國SAE J2602-2規(guī)范，符合OEM要求，同時(shí)具有出色的電磁兼容(EMC)性能，系統(tǒng)ESD保護(hù)能力高達(dá)13 kV。

在系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片(SBC)方面，安森美半導(dǎo)體提供多種集成了車載網(wǎng)絡(luò)、電源(如線性穩(wěn)壓器、DC-DC穩(wěn)壓器)、監(jiān)控(如看門狗、SPI、狀態(tài)、中斷)及I/O的器件，如NCV7420和NCV7425，兩款器件都集成了LIN收發(fā)器及3.3 V或5 V穩(wěn)壓器，輸出電流能力分別為50 mA及150 mA。

汽車空調(diào)是安森美半導(dǎo)體在汽車應(yīng)用中所關(guān)注的核心應(yīng)用之一。安森美半導(dǎo)體提供一系列應(yīng)用于汽車空調(diào)應(yīng)用的產(chǎn)品，包括電源供電、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、SmartFET和分立器件。這些器件均通過了汽車級(jí)產(chǎn)品認(rèn)證，有助于汽車整車廠商滿足汽車空調(diào)中越來越苛刻的需求，不斷提高汽車空調(diào)系統(tǒng)的安全性可靠性及燃油經(jīng)濟(jì)性。