如何保障汽車(chē)信息娛樂(lè )和機群系統的熱安全性？

目前，下一代汽車(chē)配備了越來(lái)越復雜的信息娛樂(lè )和機群系統。但是現代汽車(chē)中電子器件的數量增加會(huì )消耗更多能量，從而產(chǎn)生更多熱量。由于駕駛座熱量增加，汽車(chē)儀表盤(pán)已經(jīng)暴露在陽(yáng)光和高溫下。

整個(gè)信息娛樂(lè )和機群系統的熱量會(huì )不斷增加，所以汽車(chē)制造商現在必須克服新的熱管理難題。為吸引客戶(hù)，他們需要在有限的預算的前提下，提供功能豐富且舒適的駕駛體驗，同時(shí)確保這些系統提供的關(guān)鍵功能能夠安全可靠地運行。

圖1顯示了各類(lèi)信息娛樂(lè )和機群應用程序，每種應用程序都有各自的散熱問(wèn)題。

圖1：信息娛樂(lè )和機群系統的關(guān)鍵問(wèn)題是熱問(wèn)題

保護汽車(chē)頭部單元中過(guò)載的微處理器

汽車(chē)的頭部單元已成為信息娛樂(lè )系統的主控制面板，匯集了許多先前分散在整個(gè)汽車(chē)中的不同功能，并配有各種按鈕。這種集中化使得此頭部單元成為信息娛樂(lè )系統的“大腦”，具有應用處理器的重要處理能力，且隨著(zhù)處理負載的增加，處理器往往會(huì )快速升溫。

大部分的熱量和風(fēng)險來(lái)自這些微處理器的核心。為獲得最可靠的溫度測量，無(wú)論是基底熱敏晶體管還是處理器裸片中的二極管，通常是通過(guò)P-N接點(diǎn)進(jìn)行遙感監測。

德州儀器針對這些遙感情況設計了TMP451-Q1，無(wú)論是在遠程通道（處理器內核）還是本地（放置溫度傳感器的地方），其典型精度在-40°C至125°C范圍內均為±1°C，可為系統提供兩個(gè)溫度讀數。為限制功耗以及由此影響溫度精度的自熱，TMP451-Q1使用1.7V至3.6V的低電源供電，僅消耗27 μA的工作電流，且每秒進(jìn)行0.0625次轉換。

TMP451-Q1還具有8針腳、2mm x 2mm的極薄型小外形無(wú)引線(xiàn)封裝，因此也非常適合空間受限的音響主機PCB電路板。該封裝還有一個(gè)2.5mmx2.5mm的可濕性側面，也符合汽車(chē)工業(yè)中用于在電子板上進(jìn)行快速焊料驗證的自動(dòng)光學(xué)檢查（AOI）工藝。

該器件具有警報功能，可在溫度升高到特定閾值以上時(shí)用作中斷，從而修改系統行為。兩種警報功能：THERM和ALERT/THERM2提供了對系統熱管理的更多控制。

如圖2所示，將首個(gè)中斷（THERM2）設置為85°C作為警告，可觸發(fā)風(fēng)扇、冷卻系統或降低微處理器的性能，從而降低過(guò)熱風(fēng)險。第二個(gè)中斷（THERM）的溫度為110°C，實(shí)際上會(huì )關(guān)閉系統，以免損壞系統。例如，它可命令電源關(guān)閉并開(kāi)始系統重置，直到溫度降至THERM滯后以下。

圖2：TMP451-Q1中的THERM和THERM2中斷操作

在可重新配置的機群中準確測量系統溫度

汽車(chē)儀表盤(pán)可提供重要信息，例如速度、RPM、燃油油位和油溫表 —— 這些信息將影響駕駛員的決策。

但是如今，類(lèi)似于音響主機的數字化，儀表盤(pán)正在升級為可重新配置的機群。這些可重新配置的機群提供個(gè)性化顯示，包括導航、媒體、聯(lián)系人等。這對微處理器要求極其苛刻。隨著(zhù)加工需求的增加，微處理器會(huì )自動(dòng)加熱，特別是由于方向盤(pán)后面的空間極其有限，通常無(wú)法通風(fēng)。

為獲得相關(guān)的溫度測量值，可在微處理器附近放置極小的溫度傳感器，這將有助于提高讀取精度。借助高度精確的讀數，您可通過(guò)選擇規格較低的微處理器來(lái)使系統性能接近其熱設計限值，或降低系統成本。

的確，盡管大多數處理器都內置了溫度傳感器，但是由于晶圓和其他各種批次之間的差異，精度僅在±4°C時(shí)保持一致。由于讀數精度存在這種差異，因此您必須考慮比±1°C精度讀數更寬的安全裕度。這種情況下，微處理器將具有3°C的額外性能空間，而不會(huì )過(guò)于接近熱設計限值（請參見(jiàn)圖3）。

圖3：通過(guò)高精度熱監測提高系統性能

TMP235-Q1在-40°C至150°C（0級）范圍內具有±0.5°C的精度。該器件占板面積極?。?.00 mmx1.25 mm —— 見(jiàn)圖4）且功耗低。

圖4：TMP235-Q1模擬溫度傳感器

保護系統和USB充電器免受熱損壞

新型USB充電器不僅支持USB Type A，而且現在支持USB Type-C?，通常具有60 W至100 W的功率傳輸能力。如果您有多個(gè)端口，則此瓦數會(huì )成倍增加，會(huì )變熱并存在潛在危險。USB控制器集成電路（IC）通常具有可編程的電纜下垂補償，以幫助便攜式器件在重負載下以最佳電流和電壓充電。實(shí)現用于智能熱管理的熱敏電阻可向USB控制器提供溫度指示，并使它們將輸出電流限值更改為較低電平，以降低溫度。

例如，TMP61-Q1是具有正熱系數的熱敏電阻，可在極小的封裝中提供線(xiàn)性輸出：1 mm x 0.5 mm。

當溫度超過(guò)由電阻器、電壓或工廠(chǎng)編程設定的特定閾值時(shí)，溫度開(kāi)關(guān)還可通過(guò)向USB控制器IC發(fā)送警報來(lái)保護系統免受過(guò)熱影響。該警報可繞過(guò)微控制器（MCU）做出更快、更直接的決策。根據溫度閾值，MCU也可能在低于溫度傳感器的溫度下發(fā)生故障。因此，需要一種可關(guān)閉汽車(chē)的這種非關(guān)鍵功能的保護系統，以確保乘客安全并避免熱失控。此外，與離散實(shí)現相比（圖5），使用溫度開(kāi)關(guān)具有成本優(yōu)勢，因為無(wú)需使用比較器和基準電壓源之類(lèi)的額外電路就可檢測閾值。

圖5：溫度開(kāi)關(guān)的離散實(shí)現

TMP390-Q1電阻器可編程溫度開(kāi)關(guān)覆蓋-40°C至+ 125°C的溫度范圍，最大精度為±3.0°C。它具有兩個(gè)通道，可同時(shí)進(jìn)行獨立的過(guò)溫（熱）和低溫（冷）檢測（見(jiàn)圖6）。TMP390-Q1還是熱敏電阻的低功耗替代品，因為它可提供1.62至5.5 V的電源，并在25°C時(shí)消耗0.5 μA的電流。該器件提供了最簡(jiǎn)易的熱保護實(shí)現方案，并且也是高度集成的器件，因為該器件在一個(gè)芯片中同時(shí)提供了冷熱保護功能。

圖6：TMP390-Q1的低溫和過(guò)熱保護

信息娛樂(lè )系統中有多種處理溫度監測和保護的方法，還有許多其他方面需要考慮。隨著(zhù)汽車(chē)內各種功能和顯示器數量的增加，汽車(chē)加工要求也在不斷上升，確保熱安全對于避免事故至關(guān)重要。