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優化電源管理以提高汽車能效
朝向電動車發展

【作者: Hirotada Honma】   2017年09月08日 星期五

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現代生活越來越依賴隨時在線,與同事、社交圈、家人、智慧家庭裝置等保持互動,人們對無縫連接的渴望推動著車載資訊娛樂系統的變化。根據分析,新穎且更好的車載設備更符合當今的數位生活風格,而外型好看也有避免駕駛分心的功能,因此,對車載設備的需求推動了資訊娛樂系統市場,其市值估計在2020年前將超過350億美元。


從設計的角度來看,資訊娛樂設備變得越來越複雜。雖然一台包括網路連接、智慧手機連接、輔助慣性感測的衛星導航、攝像機輸入、圖形化觸控式螢幕、為其他乘客提供多顯示輸出等多功能的裝置仍支援傳統舊有功能,但簡單的DIN尺寸收音機/ CD播放器的年代實已一去不復返。


複雜系統的功耗要求

這一切都需要儀錶板後的大量電路,有大量的工程功夫。空間十分有限,雖然半導體整合可以達到某種程度,但仍舊要使用到多種積體電路(IC),包括高性能處理器或FPGA、ASIC、介面晶片、顯示控制器、類比元件等等。因此需要更多的電源軌,以各種電壓運行,涵蓋1.5-3.3V的低壓邏輯元件,5V、8V或9V的舊式調諧器和CD電路,10-12 V的控制台照明等其他電路。過去需要較少的電源電壓要求時,工程師可以使用個別調節器確保每一電軌的功率控制。由於空間限制對設計決策有更大影響,這種做法變得不適用。


熱管理也應該慎重考慮。額外元件和相關的電源產生了額外熱量,而熟悉的熱威脅,例如來自太陽和發動機的熱量,則仍像以往一樣強烈。此外有許多雜訊源要處理,如手機發射器、藍牙、雷達或雷射雷達設備、引擎點火和汽車配線的電快速瞬變。


此外,因為資訊娛樂系統的電源要求更複雜,搭載許多額外元件,車輛整體的能效越顯重要,特別是消費者渴望能源更經濟的汽車,汽車行業也正朝電動車(EV)發展,這時候,電池電力與駕駛範圍之間的關係對終端使用者來說非常重要。


新一代功能豐富的連線車載資訊娛樂系統的電源管理必須考慮到所有這些因素。僅僅擴展傳統的方法,使用一系列分離穩壓器為各軌道供電,可以形成一個包含大量個別元件的系統,如圖一所示。各穩壓器外部所需的被動組件進一步增加了方案尺寸和物料清單成本。



圖一 : 使用分離的穩壓器為大量的電壓軌供電增加了元件數量和方案尺寸。
圖一 : 使用分離的穩壓器為大量的電壓軌供電增加了元件數量和方案尺寸。

整合的替代方案

因此,需要電源管理IC(PMIC)等更整合的方法,但是設計人員需要斟酌。如果根據最新資訊娛樂系統的要求而設計PMIC,最終方案可能過度整合,包含了不需要的功能。相反的,與系統需求相關的一些輸出可能被忽視。系統設計人員需要選擇一個適當的額定功率軌的PMIC,整合增值功能,節省外部元件和成本,並提供所需的調整靈活性以滿足個別的系統要求。


以安森美半導體在設計用於汽車資訊娛樂應用的LV56851UV多輸出系統電源IC時採用的方案為例說明。共有五個晶片上線性穩壓器(LDO),以及一個高邊開關。這種整合方案還簡化了必要的保護機制,包括電源過壓和過流保護,以及熱保護,如果晶片溫度超過140°C和啟動熱關斷超過攝氏175度C,則生成警告,有效防止損傷。


此外,電池電壓檢測和輔助(ACC)電源電壓監測等整合功能省去了額外的外部元件。提供外部放大器電源(AMP)進一步幫助節省整體元件,IC還提供強制重置功能,幫助設計人員滿足汽車電氣系統的國際安全要求。圖二展示了LV56851UV關於資訊娛樂系統的功率要求的特徵,對比如圖一所示的分離元件的設計。



圖二 : 整合的多輸出電源IC優化以滿足資訊娛樂系統的要求。
圖二 : 整合的多輸出電源IC優化以滿足資訊娛樂系統的要求。

5個LDO設計用於為3.3-5.5V和1.25-5V的邏輯元件和處理器供電,以及音訊/調諧器和CD的電路、10-12V的照明供電。整合的高邊開關可用於?明管理連接設備如智慧手機或車內個人媒體播放機的USB埠。


該元件的一個重要特性是系統、音訊、CD和照明輸出的I2C可程式設計性。這不僅使個別軌道根據需要被打開或禁用,還支援輸出電壓的調節。為設計人員提供滿足個別系統要求的靈活性,或快速應變各種設計變化,而不需改變外部元件。高邊開關輸出也可以利用I2C的指令來啟用或禁用。


整合的系統電源IC

幫助節省PCB空間和降低物料清單成本的附加功能,包括內置電池電壓檢測,省去了通常包括三個電晶體、兩個二極體、兩個電容和四個電阻的傳統齊納檢測電路。圖二比較典型的分離電路和板載LV56851UV的整合檢測電路。檢測精度也提高到±3%,而傳統電路由於一個齊納二極體的典型容差,準確度不能優於+/-5%。此外,分離方案的欠壓和過壓檢測閾值通常高度依賴溫度。相比之下,整合的檢測電路具有非常穩定的溫度特性。



圖三 : 圖左右為整合的電池電壓檢測電路節省元件數和PCB面積。
圖三 : 圖左右為整合的電池電壓檢測電路節省元件數和PCB面積。

如果需要電池過長時間運行配件,LV56851UV 提供的ACC欠壓檢測也保護汽車免受配件上過低電壓的損傷。利用晶片上積體電路,省去了8個分離元件,包括一個齊納二極體、電晶體和電容器,以及五個電阻。內建重置電路也增強了溫度穩定性和檢測精度。I2C匯流排連接提供了一個管道,向主系統控制器報告電池電壓和ACC電壓,以及其他診斷資訊。


簡潔的HZIP15以15引腳的封裝外形提供強大功能。調節器輸出的額定輸出電流專為連接電路供電,例如直流輸出的1500 mA額定輸出,可藉由I2C指令設定在5V和8V之間,該IC具有非常低的靜態電流,待機功耗僅為60μA。


使用一個整合的系統電源IC,代替一個分離的穩壓器陣列或一個不太適合當今資訊娛樂系統的「最合適」晶片,不僅有助於管理面板尺寸、減少物料清單,將能效推到最高,盡量防止熱威脅,還能簡化設計,有助於減少重量,從而將資訊娛樂系統對汽車燃油經濟性的影響降到最低。


總結

未來汽車資訊娛樂邁向更精密的系統,為駕駛員和乘客提供卓越的體驗。更多的便利和連接需要額外的功能,但必須使元件數和電路最小化,而更好的半導體整合則提供了前進的方向,包括電源管理子系統的整合。


(本文作者為安森美半導體應用工程師)


**刊頭圖(Source:Harman International)


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