安森美半导体的汽车空调自动控制方案促进节能

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  • 时间:2020-07-03
安森美半导体的汽车空调自动控制方案促进节能

空调是满足汽车舒适性要求不可或缺的配置,用作车内製冷、取暖、通风换气,而且舒适的驾乘环境也关乎行车安全。而自动空调比传统的手动空调更方便,可根据使用者设定的温度自动检测和调节,让车内的温度和湿度处于设定範围之内。而且,自动空调还有助于节能减排,提升燃油经济性。

汽车空调典型的供电结构

一般来讲,汽车电压分为 24V 系统和 12V 系统:24V 电源可採用经大功率 TVS(瞬态电压抑制器),然后由低压降稳压器(LDO)转至5V,同时为电机驱动器供电;也可採用经成本较高的 DC-DC降压器降至 12V,然后由 LDO 转至5V,同时为电机驱动器供电;12V 电源经 LDO 为单片机、感测器等元件供电,同时直接为直流/步进电机等电机驱动器供电。

安森美半导体的汽车空调自动控制方案促进节能

汽车空调典型的供电结构。

如果採用 24V 供电系统,需要考虑高耐压产品,同时兼顾热管理、电源能效和成本控制等问题;如果採用 12V 供电系统,则需考虑成本、静态电流(Iq)及封装等因素。

安森美半导体为汽车空调系统提供丰富阵容的 LDO,其中标準静态功耗系列(Iq > 100 uA)如 NCV4264-2、NCV4266-2,低静态功耗系列(Iq < 100 uA)如 NCV8501、NCV8502,非常低静态功耗系列(Iq < 50 uA)如 NCV8664、NCV8660,超低静态功耗系列(Iq < 33 uA)如 NCV8768、NCV8769,满足设计的不同需求。

安森美半导体还提供为感测器供电的电压跟随器 NCV8184,具可调节的缓冲输出电压,密切匹配参考输入电压(精度达 ±3 mV)。该器件的输出电流能力为 70mA,静态电流仅为 70uA,当电流为 50mA时,典型压降仅为 0.35V,採用 SOIC-8 封装。

驱动

1. 风门执行器驱动

直流电机、单极性步进电机、双极性步进电机为汽车空调风门执行器的三种典型结构。直流电机风门执行器中包括一个直流电机和一个位置感测器,需要一个完整的 H 桥(由 2 个高边开关和 2 个低边开关组成 ),来控制电机的正反转,透过内部自带的位置感测器,可以即时的监控风门的位置,实现闭环控制;单极性步进电机的控制只需要 4 路高边或者 4 路低边驱动,由于步进电机本身的特性,可以通过计数步进次数来知道风门的位置;双极性步进电机只需要两组线圈,其驱动需要 2 个 H 桥(由 4 个高边开关和 4 个低边开关组成)来控制两个线圈,与单极性步进电机类似,可以通过计数步进数来得知风门目前的位置。

安森美半导体的汽车空调自动控制方案促进节能

风门执行器电机结构及驱动类型。

直流电机风门执行器的正常工作电流约 100mA,堵转电流小于 450mA,需要 H 桥驱动来改变运行方向,并提供故障诊断报告及足够的保护功能。安森美半导体的 NCV77XX 系列完全满足上述需求,能以正向、反向、制动及高阻抗状态工作。以六路半桥驱动器 NCV7718 为例,6 路 PMOS 作为高边驱动,6 路 NMOS 作为低边驱动,高低边在晶片内部连接,以 H 半桥作为输出,提供 0.55A 持续驱动电流,内部集成续流二极体,导通电阻典型值和最大值分别为 1Ω 和 2.25Ω,透过 16 位元 SPI 介面控制,低功耗(最大消耗电流仅为 5 Ua ),提供驱动状态、低负载保护、过流、过温和温度警告等诊断报告,并集成一系列保护特性如过压/欠压保护、过流关断、过温保护等,採用 SSOP-24/SSOP24-EP 封装。另外,根据不同的输出需求,可选择安森美半导体的 8 路半桥驱动器 NCV7719 或 10 路半桥驱动器 NCV7720。安森美半导体还提供带独立诊断功能的 6 路半桥驱动器 NCV7728,该器件峰值电流为 0.55A,导通电阻典型值和最大值分别为 1Ω 和 2Ω,介面相容 3.3V / 5V 单片机,在睡眠模式下提供超低静态功耗,透过 16 位元 SPI 介面控制(串列传输速率为 5MHz,相容菊轮鍊通信),集成续流保护、过流保护、开路检测、过热关断及过温报警等保护特性。

步进电机风门执行器中,每个电机需要 4 路驱动,最大工作电流小于 300mA,可直接控制或经由 LIN 汇流排远端控制。安森美半导体用于汽车空调的单极性步进电机驱动器有 NCV7608 和 NCV7240。NCV7608 是 8 路高低边可配置驱动器,每通道可提供 350mA 驱动电流,提供完善的保护功能,採用 SOIC28 封装,通过 AEC-Q101 认证;NCV7420 是 8 路低边驱动器,每通道可提供 600mA 驱动电流,透过 16 位元 SPI 介面控制,提供开路诊断、超载保护、过温保护等完善的诊断和保护功能,採用 SSOP24 封装,通过 AEC-Q100 认证。安森美半导体用于汽车空调的双极性步进电机驱动器有 AMIS30730 和 NCV70501,这两款器件的驱动电流均为 300mA。AMIS30730 採用 LIN 介面,内含 MCU、ROM、RAM 和 EEPROM;而 NCV70501 採用 SPI 介面。

2. 高 / 低边驱动

SmartFET 用于外部负载(例如在中央电器盒中的继电器)的控制,可用作高边或低边驱动,这些驱动自身需要额外的保护功能如短路保护、热关断、过压保护、逻辑电平控制和 ESD 保护等。安森美半导体的 NCV8452 是一款高边 SmartFET,该器件的导通电阻为 200mΩ,过压保护等级为 41V,输出电流限制值为 1A,集成了丰富的保护特性,如短路保护、超载保护、过温关断及自动重启、内部钳位二极体过压保护、ESD 保护及逻辑电平控制等,结温 -40~150 ℃。安森美半导体用作高 / 低边智慧驱动的器件还有 NCV8440、NCV8450、NCV8401 / 2 / 3 / 5 / 6,提供不同的钳位元电压、导通电阻、输出电流等参数。

3. 鼓风机驱动

鼓风机分为两大类:有刷直流电机和无刷直流电机(BLDC)。有刷直流电机最大工作电流为 30A,採用 PWM 控制,含功率 MOSFET;而 BLDC 电机需要用到预驱动器、功率 MOSFET。安森美半导体所示的用于有刷直流电机和 BLDC 驱动的 N 沟道功率 MOSFET,以及用于 BLDC 电机的三相预驱动器,如 LV8907UW 及 MC33033 / 5 等。为帮助工程师简化设计、节省空间,安森美半导体还提供集成预驱动器和功率 MOSFET 的智慧功率模组 STK984-xxx 系列,内部集成电机驱动演算法器、6 个 MOSFET 及驱动电路,透过 PWM 或电压调速,提供 OTP 寄存器用于电机参数配置,支援模组化进行无 PCB 设计,并集成过流保护、过温保护、过压 / 欠压保护等完善的保护特性。

4. LED 驱动——CCR

安森美半导体的恒流稳流器 (CCR)用于驱动汽车空调系统中的 LED,这类器件内置 LED 热保护,可替代低成本 LDO,降低系统成本,由于没有 EMI(电磁干扰),适用于低杂讯系统,在宽输入电压範围内提供恒定电流,可抑制由于电压波动引起的LED亮度变化。该系列器件包括两端固定输出版本及三端可调节输出版本,如 NSI50010YT1G、NSI45015WT1G、NSI45020T1G、NSI45020AT1G 及 NSI45020JZT1G 等。

汇流排收发器

LIN / CAN 汇流排用于实现汽车中的分散式电子系统控制。针对这类应用,安森美半导体提供 LIN / CAN 收发器,如 NCV7321、NCV7342,这些器件都符合 IEC61000-4-2 标準,其中 NCV7342 的系统 ESD 保护能力高于 15kV,短路电流不超过 100mA,提供优异的电磁相容(EMC)性能,甚至无需共模扼流圈。

系统基础晶片

系统基础晶片(SBC)是指集成车载网路(如 LIN、CAN、FLEXRAY)、电源(如线性稳压器、DC-DC 稳压器)、监控(如看门狗、SPI、状态、中断),以及 I/O(如高边、低边、LED 等)的系统化晶片方案。安森美半导体用于汽车空调的 SBC 如 NCV7420 / 5 / 8,是集成 LDO 的 LIN 收发器,输出电流分别为 50mA、150mA、70mA。

结语

汽车自动空调带来的舒适和节能是消费者及汽车设计工程师所关注的,安森美半导体应用于汽车空调的丰富产品阵容包括电源供电、电机驱动、SmartFET、分立器件等,经过严格的汽车级产品认证,具备高性能和高可靠性,有助于实现汽车空调系统的高效节能,为消费者带来舒适的驾乘体验。