電源、電機驅動(dòng)及分立元件在汽車(chē)自動(dòng)空調的應用

　　在當今的汽車(chē)設計中，空調已是標準的舒適性配置。從功能上講，當今的汽車(chē)空調實(shí)際上是將加熱、制冷及通風(fēng)等功能一體化，成為汽車(chē)加熱、通風(fēng)空調(HVAC)系統(本文將簡(jiǎn)稱(chēng)為“汽車(chē)空調”)。從調節方式講，汽車(chē)空調包括手動(dòng)空調、半自動(dòng)空調及自動(dòng)空調。本文將專(zhuān)門(mén)圍繞汽車(chē)自動(dòng)空調進(jìn)行探討，介紹安森美半導體相應的電源供電、電機驅動(dòng)及分立元件等方案，幫助設計人員選擇適合的產(chǎn)品，用于汽車(chē)自動(dòng)空調設計。

　　汽車(chē)空調系統包含加熱及通風(fēng)系統、空調制冷及電子控制單元(ECU)等不同子系統。在加熱及通風(fēng)子系統，新鮮空氣從外部的管道通向車(chē)廂內部，提升乘客的舒適性及安全性。進(jìn)入的空氣流過(guò)小的發(fā)熱芯，連接到發(fā)動(dòng)機的冷卻系統?？照{制冷子系統則通過(guò)不斷蒸發(fā)和冷凝，將車(chē)內的熱量轉移到外面的空氣中，在降低車(chē)內溫度的同時(shí)也降低濕度。圖1是典型的汽車(chē)自動(dòng)空調界面，圖2則是系統架構圖。

　　圖1. 典型汽車(chē)自動(dòng)空調用戶(hù)界面

　　圖2：汽車(chē)空調系統架構圖

汽車(chē)空調的電源供電

　　如圖2的汽車(chē)空調系統架構圖所示，汽車(chē)空調系統需要為微控制器(MCU)、各種傳感器、驅動(dòng)器、存儲器等供電。常見(jiàn)的汽車(chē)電池電壓包括12 V或24 V。如果采用24 V系統供電，則需要高耐壓產(chǎn)品，加強熱管理，提升電源能效并控制成本。如果采用12 V系統供電，則成本更具優(yōu)勢，要求較低靜態(tài)電流及采用優(yōu)化的封裝。不同供電電壓也涉及到不同的汽車(chē)空調電源供電架構圖，如下圖所示。但無(wú)論是哪種架構，都會(huì )用低壓降(LDO)穩壓器將24 V或12 V電壓轉換為5 V。安森美半導體提供陣容豐富的LDO產(chǎn)品，表1列出的是適合于汽車(chē)空調應用的LDO。它們能夠承受高輸入電壓，提供低靜態(tài)電流，通過(guò)的汽車(chē)行業(yè)AEC-Q100認證，符合汽車(chē)空調應用要求。

　　圖3：汽車(chē)空調電源轉換架構

　　表1：安森美半導體應用于汽車(chē)空調的LDO穩壓器產(chǎn)品列表

　　汽車(chē)中的外部傳感器必須采用穩定的電源，即LDO跟隨穩壓器(或稱(chēng)電壓跟隨器)。這些LDO跟隨穩壓器必須得到充分保護，以防諸如對地短路、電池短路、電池反接等故障;同時(shí)，其輸出電壓必須與參考電壓高度一致。安森美半導體提供具有完善保護功能的電壓跟隨器NCV8184，為外部傳感器供電。NCV8184是一款單片LDO跟隨穩壓器，提供可調節的緩沖輸出電壓，且密切匹配參考輸入電壓(精度達±3 mV)。這器件的輸出電流能力為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。

　用于汽車(chē)空調的電機驅動(dòng)器

　　根據不同的地區及不同汽車(chē)整車(chē)廠(chǎng)的配置需求，汽車(chē)空調風(fēng)門(mén)執行器可以采用不同的拓撲結構，如直流電機、單極性步進(jìn)電機及雙極性步進(jìn)電機。

　　最常見(jiàn)的風(fēng)門(mén)執行器是直流電機，并集成位置傳感器，將風(fēng)門(mén)位置信號反饋給微控制器。為控制直流電機的正轉或反轉，需要使用2個(gè)高邊(HS)開(kāi)關(guān)及2個(gè)低邊(LS)開(kāi)關(guān)組成全橋電路。通常情況下，這些高邊或低邊開(kāi)關(guān)已經(jīng)集成各種完善的保護，如過(guò)壓保護、過(guò)載保護及過(guò)溫保護等。在步進(jìn)電機方面，單極性步進(jìn)電機需使用4個(gè)低邊開(kāi)關(guān)，而雙極性步進(jìn)電機需使用4個(gè)高邊開(kāi)關(guān)和4個(gè)低邊開(kāi)關(guān)。

　　圖4：汽車(chē)空調風(fēng)門(mén)執行器的電機結構及驅動(dòng)需求

　　直流電機風(fēng)門(mén)執行器的工作電流一般在100mA左右，最大堵轉電流小于450mA。此外，需要H橋驅動(dòng)來(lái)改變運行方向。電機驅動(dòng)器還需要故障診斷報告，且提供足夠的保護功能。安森美半導體的NCV77xx系列器件可用于驅動(dòng)直流電機風(fēng)門(mén)執行器，如NCV7718。NCV7718是一款六路半橋驅動(dòng)器，高、低邊在驅動(dòng)器芯片內部連接，并以H橋輸出。這器件以6路PMOS作為高邊驅動(dòng)，6路NMOS作為低邊驅動(dòng)，能夠提供0.55 A持續驅動(dòng)電流，集成了內部續流二極管。NCV7718能以正向、反向、制動(dòng)及高阻態(tài)工作，能夠通過(guò)16位SPI接口控制，帶有專(zhuān)門(mén)設計用于汽車(chē)及工業(yè)運行控制應用的保護功能，如欠壓及過(guò)壓鎖定、過(guò)流保護、過(guò)溫保護、欠載保護及鑒別故障報告等。

　　除了直流電機驅動(dòng)器，安森美半導體還提供用于汽車(chē)空調的單極性及雙極性步進(jìn)電機驅動(dòng)器。安森美半導體的單極性步進(jìn)電機驅動(dòng)器包括NCV7608和NCV7240等。其中，NCV7608是8路高、低邊可配置驅動(dòng)器，每通道能提供350 mA驅動(dòng)電流，并提供完善的保護功能;NCV7240是8路低邊驅動(dòng)器，每通道能提供600 mA驅動(dòng)電流，可采用16位SPI接口控制，也提供完善的保護功能(如開(kāi)路診斷、過(guò)載保護及過(guò)溫保護等)。這兩款器件分別采用SOIC28和SSOP24封裝。

　　圖5：安森美半導體NCV70501及AMIS-30730雙極性步進(jìn)電機驅動(dòng)器框圖

　　安森美半導體用于汽車(chē)空調的雙極性步進(jìn)電機驅動(dòng)器包括AMIS-30730和NCV70501等。汽車(chē)空調的進(jìn)氣風(fēng)門(mén)需要采用低噪音設計，因為這個(gè)執行器是連續工作模式。采用NCV70501這樣的雙極性步進(jìn)電機驅動(dòng)器可以實(shí)現低噪音。NCV70501通過(guò)H橋驅動(dòng)步進(jìn)電機，可以通過(guò)設置內部寄存器來(lái)改變電機的方向和步數等。AMIS-30730則是單芯片智能步進(jìn)電機驅動(dòng)器方案，內部包含雙極性步進(jìn)電機驅動(dòng)、微控制器(MCU)內核、LIN接口、ROM、RAM及EEPROM等。

　外部負載高邊或低邊驅動(dòng)器

　　除了風(fēng)門(mén)執行器，還需要驅動(dòng)或控制外部負載，如中央電器盒。安森美半導體提供用于外部負載驅動(dòng)的SmartFET，可用于高邊或低邊驅動(dòng)，如NCV8440、NCV8401/2/3/5/6等低邊驅動(dòng)器，以及NCV8450、NCV8452等高邊驅動(dòng)器。這些SmartFET是帶保護的MOSFET，在功率MOSFET的基礎上增加了多種保護功能及高邊或低邊驅動(dòng)等。以NCV8452高邊SmartFET為例，這器件的導通阻抗為200 m?，過(guò)壓保護等級為41 V，輸出電流限制值為1 A，集成了豐富的保護特性，如短路保護、過(guò)載保護、過(guò)溫關(guān)斷及自動(dòng)重啟、內部鉗位二極管過(guò)壓保護、ESD保護 及邏輯電平控制等。

　　圖6：汽車(chē)空調外部負載的高邊或驅動(dòng)架構及高邊驅動(dòng)器NCV8452應用示例

鼓風(fēng)機用電機驅動(dòng)器及MOSFET

　　鼓風(fēng)機是汽車(chē)空調的重要部分，包含有刷直流電機及無(wú)刷直流電機等不同驅動(dòng)類(lèi)型。采用有刷直流電機時(shí)，采用PWM控制，最大工作電流達30 A，需要用到功率MOSFET。采用無(wú)刷直流電機時(shí)，需要用到預驅動(dòng)器及功率MOSFET。安森美半導體提供用于無(wú)刷直流電機的三相預驅動(dòng)器，如LV8901、LV8902及MC33033/5等。安森美半導體還提供用于鼓風(fēng)機驅動(dòng)的一系列功率MOSFET，如NVB5860N/NL、NVMFS5830NL、NVMFS5832NL、NVB5404N、NVB5405N、NVD5802及NVD5890N等。

用于汽車(chē)空調的恒流驅動(dòng)器

　　安森美半導體基于自偏置晶體管(SBT)技術(shù)的恒流穩流器(CCR)同樣可用于在汽車(chē)空調應用中驅動(dòng)LED。這些LED驅動(dòng)器包括雙端可調節輸出版本及三端可調節輸出版本，適合于低噪聲系統。這些CCR內置LED熱保護，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，通過(guò)了汽車(chē)級產(chǎn)品認證，幫助縮短設計/認證時(shí)間。這些低電流CCR LED驅動(dòng)器包括NSI50010YT1G、NSI45015WT1G、NSI45020T1G、NSI45020AT1G及NSI45020JZT1G等。

用于汽車(chē)空調的其它產(chǎn)品

　　當今的汽車(chē)制造商設計分散、分布式系統，這些系統通過(guò)LIN、CAN及FlexRay?等行業(yè)標準接口相互連接。安森美半導體提供這些標準接口技術(shù)的車(chē)載總線(xiàn)收發(fā)器，其中包括用于汽車(chē)空調的NCV7321 LIN收發(fā)器。這器件的最高通信速率為20 kbps，同時(shí)具備高壓模擬和數字功能，符合歐洲LIN物理層規范2.1版及美國SAE J2602-2規范，符合OEM要求，提供出色的電磁兼容(EMC)性能，系統ESD保護能力高達13 kV。

　　此外，安森美半導體還提供用于多種系統基礎芯片(SBC)。這些系統基礎芯片集成了車(chē)載網(wǎng)絡(luò )(如LIN、CAN及FlexRay?等收發(fā)器)、電源(如線(xiàn)性穩壓器、DC-DC穩壓器)、監控(如看門(mén)狗、SPI、狀態(tài)、中斷)，以及I/O等。其中，用于汽車(chē)空調應用的SBC有如NCV7420和NCV7425，這兩款器件集成了LIN收發(fā)器及3.3 V或5 V穩壓器，輸出電流能力分別為50 mA及150 mA。

總結：

　　汽車(chē)空調是安森美半導體在汽車(chē)應用中所關(guān)注的核心應用之一。安森美半導體提供一系列應用于汽車(chē)空調應用的產(chǎn)品，包括電源供電(如LDO及電壓跟隨器)、電機驅動(dòng)器、SmartFET高邊/低邊驅動(dòng)器、分立元件(功率MOSFET，CCR LED驅動(dòng)器)、車(chē)載網(wǎng)絡(luò )收發(fā)器及系統基礎芯片等。安森美半導體將繼續致力于研發(fā)高性能的標準和專(zhuān)用器件，滿(mǎn)足汽車(chē)空調中越來(lái)越苛刻的需求，并用優(yōu)異的產(chǎn)品不斷提高汽車(chē)空調系統的安全性、可靠性及燃油經(jīng)濟性。