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优化电源管理以提高汽车能效
朝向电动车发展

【作者: Hirotada Honma】2017年09月08日 星期五

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现代生活越来越依赖随时在线,与同事、社交圈、家人、智慧家庭装置等保持互动,人们对无缝连接的渴??推动着车载资讯娱乐系统的变化。根据分析,新颖且更好的车载设备更符合当今的数位生活风格,而外型好看也有避免驾驶分心的功能,因此,对车载设备的需求推动了资讯娱乐系统市场,其市值估计在2020年前将超过350亿美元。


从设计的角度来看,资讯娱乐设备变得越来越复杂。虽然一台包括网路连接、智慧手机连接、辅助惯性感测的卫星导航、摄像机输入、图形化触控式萤幕、为其他乘客提供多显示输出等多功能的装置仍支援传统旧有功能,但简单的DIN尺寸收音机/ CD播放器的年代实已一去不复返。


复杂系统的功耗要求

这一切都需要仪表板後的大量电路,有大量的工程功夫。空间十分有限,虽然半导体整合可以达到某种程度,但仍旧要使用到多种积体电路(IC),包括高性能处理器或FPGA、ASIC、介面晶片、显示控制器、类比元件等等。因此需要更多的电源轨,以各种电压运行,涵盖1.5-3.3V的低压逻辑元件,5V、8V或9V的旧式调谐器和CD电路,10-12 V的控制台照明等其他电路。过去需要较少的电源电压要求时,工程师可以使用个别调节器确保每一电轨的功率控制。由於空间限制对设计决策有更大影响,这种做法变得不适用。


热管理也应该慎重考虑。额外元件和相关的电源产生了额外热量,而熟悉的热威胁,例如来自太阳和发动机的热量,则仍像以往一样强烈。此外有许多杂讯源要处理,如手机发射器、蓝牙、雷达或雷射雷达设备、引擎点火和汽车配线的电快速瞬变。


此外,因为资讯娱乐系统的电源要求更复杂,搭载许多额外元件,车辆整体的能效越显重要,特别是消费者渴??能源更经济的汽车,汽车行业也正朝电动车(EV)发展,这时候,电池电力与驾驶范围之间的关系对终端使用者来说非常重要。


新一代功能丰富的连线车载资讯娱乐系统的电源管理必须考虑到所有这些因素。仅仅扩展传统的方法,使用一系列分离稳压器为各轨道供电,可以形成一个包含大量个别元件的系统,如图一所示。各稳压器外部所需的被动组件进一步增加了方案尺寸和物料清单成本。



图一 : 使用分离的稳压器为大量的电压轨供电增加了元件数量和方案尺寸。
图一 : 使用分离的稳压器为大量的电压轨供电增加了元件数量和方案尺寸。

整合的替代方案

因此,需要电源管理IC(PMIC)等更整合的方法,但是设计人员需要斟酌。如果根据最新资讯娱乐系统的要求而设计PMIC,最终方案可能过度整合,包含了不需要的功能。相反的,与系统需求相关的一些输出可能被忽视。系统设计人员需要选择一个适当的额定功率轨的PMIC,整合增值功能,节省外部元件和成本,并提供所需的调整灵活性以满足个别的系统要求。


以安森美半导体在设计用於汽车资讯娱乐应用的LV56851UV多输出系统电源IC时采用的方案为例说明。共有五个晶片上线性稳压器(LDO),以及一个高边开关。这种整合方案还简化了必要的保护机制,包括电源过压和过流保护,以及热保护,如果晶片温度超过140。C和启动热关断超过摄氏175度C,则生成警告,有效防止损伤。


此外,电池电压检测和辅助(ACC)电源电压监测等整合功能省去了额外的外部元件。提供外部放大器电源(AMP)进一步帮助节省整体元件,IC还提供强制重置功能,帮助设计人员满足汽车电气系统的国际安全要求。图二展示了LV56851UV关於资讯娱乐系统的功率要求的特徵,对比如图一所示的分离元件的设计。



图二 : 整合的多输出电源IC优化以满足资讯娱乐系统的要求。
图二 : 整合的多输出电源IC优化以满足资讯娱乐系统的要求。

5个LDO设计用於为3.3-5.5V和1.25-5V的逻辑元件和处理器供电,以及音讯/调谐器和CD的电路、10-12V的照明供电。整合的高边开关可用於?明管理连接设备如智慧手机或车内个人媒体播放机的USB埠。


该元件的一个重要特性是系统、音讯、CD和照明输出的I2C可程式设计性。这不仅使个别轨道根据需要被打开或禁用,还支援输出电压的调节。为设计人员提供满足个别系统要求的灵活性,或快速应变各种设计变化,而不需改变外部元件。高边开关输出也可以利用I2C的指令来启用或禁用。


整合的系统电源IC

帮助节省PCB空间和降低物料清单成本的附加功能,包括内置电池电压检测,省去了通常包括三个电晶体、两个二极体、两个电容和四个电阻的传统齐纳检测电路。图二比较典型的分离电路和板载LV56851UV的整合检测电路。检测精度也提高到±3%,而传统电路由於一个齐纳二极体的典型容差,准确度不能优於+/-5%。此外,分离方案的欠压和过压检测??值通常高度依赖温度。相比之下,整合的检测电路具有非常稳定的温度特性。



图三 : 图左右为整合的电池电压检测电路节省元件数和PCB面积。
图三 : 图左右为整合的电池电压检测电路节省元件数和PCB面积。

如果需要电池过长时间运行配件,LV56851UV 提供的ACC欠压检测也保护汽车免受配件上过低电压的损伤。利用晶片上积体电路,省去了8个分离元件,包括一个齐纳二极体、电晶体和电容器,以及五个电阻。内建重置电路也增强了温度稳定性和检测精度。I2C汇流排连接提供了一个管道,向主系统控制器报告电池电压和ACC电压,以及其他诊断资讯。


简洁的HZIP15以15引脚的封装外形提供强大功能。调节器输出的额定输出电流专为连接电路供电,例如直流输出的1500 mA额定输出,可藉由I2C指令设定在5V和8V之间,该IC具有非常低的静态电流,待机功耗仅为60μA。


使用一个整合的系统电源IC,代替一个分离的稳压器阵列或一个不太适合当今资讯娱乐系统的「最合适」晶片,不仅有助於管理面板尺寸、减少物料清单,将能效推到最高,尽量防止热威胁,还能简化设计,有助於减少重量,从而将资讯娱乐系统对汽车燃油经济性的影响降到最低。


总结

未来汽车资讯娱乐迈向更精密的系统,为驾驶员和乘客提供卓越的体验。更多的便利和连接需要额外的功能,但必须使元件数和电路最小化,而更好的半导体整合则提供了前进的方向,包括电源管理子系统的整合。


(本文作者为安森美半导体应用工程师)


**刊头图(Source:Harman International)


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