促進(jìn)節(jié)能的汽車空調(diào)自動(dòng)控制方案

空調(diào)是滿足汽車舒適性要求不可或缺的配置，用作車內(nèi)制冷、取暖、通風(fēng)換氣，而且舒適的駕乘環(huán)境也關(guān)乎行車安全。而自動(dòng)空調(diào)比傳統(tǒng)的手動(dòng)空調(diào)更方便，可根據(jù)用戶設(shè)定的溫度自動(dòng)檢測(cè)和調(diào)節(jié)，讓車內(nèi)的溫度和濕度處于設(shè)定范圍之內(nèi)。而且，自動(dòng)空調(diào)還有助于節(jié)能減排，提升燃油經(jīng)濟(jì)性。

汽車空調(diào)典型的供電結(jié)構(gòu)

一般來講，汽車電壓分為24 V系統(tǒng)和12 V系統(tǒng)：24 V電源可采用經(jīng)大功率TVS(瞬態(tài)電壓抑制器))，然后由低壓降穩(wěn)壓器(LDO)轉(zhuǎn)至5 V，同時(shí)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電;也可采用經(jīng)成本較高的DC-DC降壓器降至12 V，然后由LDO轉(zhuǎn)至5 V，同時(shí)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電;12 V電源經(jīng)LDO為單片機(jī)、傳感器等元件供電，同時(shí)直接為直流/步進(jìn)電機(jī)等電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電。

圖1. 汽車空調(diào)典型的供電結(jié)構(gòu)

如果采用24 V供電系統(tǒng)，需要考慮高耐壓產(chǎn)品，同時(shí)兼顧熱管理、電源能效和成本控制等問題;如果采用12 V供電系統(tǒng)，則需考慮成本、靜態(tài)電流(Iq)及封裝等因素。

安森美半導(dǎo)體為汽車空調(diào)系統(tǒng)提供豐富陣容的LDO，其中標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)功耗系列(Iq 》 100 uA)如NCV4264-2、NCV4266-2，低靜態(tài)功耗系列(Iq 《 100 uA)如NCV8501、NCV8502，非常低靜態(tài)功耗系列(Iq 《 50 uA)如NCV8664、NCV8660，超低靜態(tài)功耗系列(Iq 《 33 uA)如NCV8768、NCV8769，滿足設(shè)計(jì)的不同需求。

安森美半導(dǎo)體還提供為傳感器供電的電壓跟隨器NCV8184，具可調(diào)節(jié)的緩沖輸出電壓，密切匹配參考輸入電壓(精度達(dá)±3 mV)。該器件的輸出電流能力為70 mA，靜態(tài)電流僅為70 uA，當(dāng)電流為50 mA時(shí)，典型壓降僅為0.35 V，采用SOIC-8封裝。

驅(qū)動(dòng)

1. 風(fēng)門執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)

直流電機(jī)、單極性步進(jìn)電機(jī)、雙極性步進(jìn)電機(jī)為汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器的三種典型結(jié)構(gòu)。直流電機(jī)風(fēng)門執(zhí)行器中包括一個(gè)直流電機(jī)和一個(gè)位置傳感器，需要一個(gè)完整的 H橋(由2個(gè)高邊開關(guān)和2個(gè)低邊開關(guān)組成 )，來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過內(nèi)部自帶的位置傳感器，可以實(shí)時(shí)的監(jiān)控風(fēng)門的位置，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制;單極性步進(jìn)電機(jī)的控制只需要4路高邊或者4路低邊驅(qū)動(dòng)，由于步進(jìn)電機(jī)本身的特性，可以通過計(jì)數(shù)步進(jìn)次數(shù)來知道風(fēng)門的位置;雙極性步進(jìn)電機(jī)只需要兩組線圈，其驅(qū)動(dòng)需要2個(gè)H橋(由4個(gè)高邊開關(guān)和4個(gè)低邊開關(guān)組成)來控制兩個(gè)線圈，與單極性步進(jìn)電機(jī)類似，可以通過計(jì)數(shù)步進(jìn)數(shù)來得知風(fēng)門目前的位置。

圖2. 風(fēng)門執(zhí)行器電機(jī)結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)類型

直流電機(jī)風(fēng)門執(zhí)行器的正常工作電流約100 mA，堵轉(zhuǎn)電流小于450 mA，需要H橋驅(qū)動(dòng)來改變運(yùn)行方向，并提供故障診斷報(bào)告及足夠的保護(hù)功能。安森美半導(dǎo)體的NCV77XX系列完全滿足上述需求，能以正向、反向、制動(dòng)及高阻抗?fàn)顟B(tài)工作。以六路半橋驅(qū)動(dòng)器NCV7718為例，6路PMOS作為高邊驅(qū)動(dòng)，6路NMOS作為低邊驅(qū)動(dòng)，高低邊在芯片內(nèi)部連接，以H半橋作為輸出，提供0.55 A持續(xù)驅(qū)動(dòng)電流，內(nèi)部集成續(xù)流二極管，導(dǎo)通電阻典型值和最大值分別為1 ?和2.25 ?，通過16位SPI接口控制，低功耗(最大消耗電流僅為5 Ua )，提供驅(qū)動(dòng)狀態(tài)、低負(fù)載保護(hù)、過流、過溫和溫度警告等診斷報(bào)告，并集成一系列保護(hù)特性如過壓/欠壓保護(hù)、過流關(guān)斷、過溫保護(hù)等，采用SSOP-24 /SSOP24-EP封裝。另外，根據(jù)不同的輸出需求，可選擇安森美半導(dǎo)體的8路半橋驅(qū)動(dòng)器NCV7719或10路半橋驅(qū)動(dòng)器NCV7720。安森美半導(dǎo)體還提供帶獨(dú)立診斷功能的6路半橋驅(qū)動(dòng)器NCV7728，該器件峰值電流為0.55 A，導(dǎo)通電阻典型值和最大值分別為1 ?和2?，接口兼容3.3 V/5 V單片機(jī)，在睡眠模式下提供超低靜態(tài)功耗，通過16位SPI接口控制(波特率為5 MHz，兼容菊花鏈通信)，集成續(xù)流保護(hù)、過流保護(hù)、開路檢測(cè)、過熱關(guān)斷及過溫報(bào)警等保護(hù)特性。

圖3. 帶獨(dú)立診斷功能的6路半橋驅(qū)動(dòng)器NCV7728典型應(yīng)用示例

步進(jìn)電機(jī)風(fēng)門執(zhí)行器中，每個(gè)電機(jī)需要4路驅(qū)動(dòng)，最大工作電流小于300 mA，可直接控制或通過LIN總線遠(yuǎn)程控制。安森美半導(dǎo)體用于汽車空調(diào)的單極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有NCV7608和NCV7240。NCV7608是8路高低邊可配置驅(qū)動(dòng)器，每通道可提供 350 mA驅(qū)動(dòng)電流，提供完善的保護(hù)功能，采用SOIC28封裝，通過AEC-Q101認(rèn)證;NCV7420是8路低邊驅(qū)動(dòng)器，每通道可提供600 mA驅(qū)動(dòng)電流，通過16位SPI接口控制，提供開路診斷、過載保護(hù)、過溫保護(hù)等完善的診斷和保護(hù)功能，采用SSOP24封裝，通過AEC-Q100認(rèn)證。安森美半導(dǎo)體用于汽車空調(diào)的雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有AMIS30730和NCV70501，這兩款器件的驅(qū)動(dòng)電流均為300 mA。AMIS30730采用LIN接口，內(nèi)含MCU、ROM、RAM和EEPROM;而NCV70501采用SPI接口。

2. 高/低邊驅(qū)動(dòng)

SmartFET用于外部負(fù)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(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、過壓保護(hù)、邏輯電平控制和ESD保護(hù)等。安森美半導(dǎo)體的 NCV8452是一款高邊SmartFET，該器件的導(dǎo)通電阻為200 m?，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，結(jié)溫-40~150 ℃。安森美半導(dǎo)體用作高/低邊智能驅(qū)動(dòng)的器件還有NCV8440、NCV8450、NCV8401/2/3/5/6，提供不同的鉗位電壓、導(dǎo)通電阻、輸出電流等參數(shù)。

3. 鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)

鼓風(fēng)機(jī)分為兩大類：有刷直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)(BLDC)。有刷直流電機(jī)最大工作電流為30 A，采用PWM控制，含功率MOSFET;而BLDC電機(jī)需要用到預(yù)驅(qū)動(dòng)器、功率MOSFET。安森美半導(dǎo)體提供如表1所示的用于有刷直流電機(jī)和BLDC 驅(qū)動(dòng)的N溝道功率MOSFET，以及用于 BLDC電機(jī)的三相預(yù)驅(qū)動(dòng)器，如LV8907UW及MC33033/5等。為幫助工程師簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、節(jié)省空間，安森美半導(dǎo)體還提供集成預(yù)驅(qū)動(dòng)器和功率 MOSFET的智能功率模塊STK984-xxx系列，內(nèi)部集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法器、6個(gè)MOSFET及驅(qū)動(dòng)電路，通過PWM或電壓調(diào)速，提供OTP寄存器用于電機(jī)參數(shù)配置，支持模塊化進(jìn)行無PCB設(shè)計(jì)，并集成過流保護(hù)、過溫保護(hù)、過壓/欠壓保護(hù)等完善的保護(hù)特性。[!--empirenews.page--]

表1. 用于鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的N溝道功率MOSFET

圖4. 智能功率模塊STK 984-XXX框圖

4. LED驅(qū)動(dòng)——CCR

安森美半導(dǎo)體的恒流穩(wěn)流器 (CCR)用于驅(qū)動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)中的LED，這類器件內(nèi)置LED熱保護(hù)，可替代低成本LDO，降低系統(tǒng)成本，由于沒有EMI(電磁干擾)，適用于低噪聲系統(tǒng)，在寬輸入電壓范圍內(nèi)提供恒定電流，可抑制由于電壓波動(dòng)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(diào)節(jié)輸出版本，如NSI50010YT1G、NSI45015WT1G、NSI45020T1G、 NSI45020AT1G及NSI45020JZT1G等。

總線收發(fā)器

LIN/CAN總線用于實(shí)現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。針對(duì)這類應(yīng)用，安森美半導(dǎo)體提供LIN/CAN收發(fā)器，如NCV7321、NCV7342，這些器件都符合IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，其中NCV7342的系統(tǒng)ESD保護(hù)能力高于15 kV，短路電流不超過100 mA，提供優(yōu)異的電磁兼容(EMC)性能，甚至無需共模扼流圈。

系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片

系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片(SBC)是指集成車載網(wǎng)絡(luò)(如LIN、CAN、FLEXRAY)、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)，以及I/O(如高邊、低邊、LED等)的系統(tǒng)化芯片方案。安森美半導(dǎo)體用于汽車空調(diào)的 SBC如NCV7420/5/8，是集成LDO的LIN收發(fā)器，輸出電流分別為50 mA、150 mA、70 mA。

結(jié)語

汽車自動(dòng)空調(diào)帶來的舒適和節(jié)能是消費(fèi)者及汽車設(shè)計(jì)工程師所關(guān)注的，安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于汽車空調(diào)的豐富產(chǎn)品陣容包括電源供電、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、 SmartFET、分立器件等，經(jīng)過嚴(yán)格的汽車級(jí)產(chǎn)品認(rèn)證，具備高性能和高可靠性，有助于實(shí)現(xiàn)汽車空調(diào)系統(tǒng)的高效節(jié)能，為消費(fèi)者帶來舒適的駕乘體驗(yàn)。