汽車(chē)電子需要創(chuàng )新的低功耗技術(shù)

汽車(chē)對標準14V電氣系統設備的需求將在42V電氣系統出現后有所改變。對于汽車(chē)電子的系統設計師來(lái)說(shuō)，考慮到向42V電氣系統過(guò)渡緩慢，目前他們正在對電子系統的功耗進(jìn)行優(yōu)化。
在1988年，德國奔馳汽車(chē)公司開(kāi)始為所設計的豪華轎車(chē)進(jìn)行42V電氣系統的初步構想，但直到1995年，美國麻省理工學(xué)院的42V技術(shù)組織才正式形成。且由于成本方面的影響，42V電氣系統的進(jìn)程非常緩慢。所以對于汽車(chē)電子系統設計師來(lái)說(shuō)，在42V電氣標準未正式出臺以前，所面臨的最大挑戰是在相同的電池電源條件下，找到新的方法來(lái)保證汽車(chē)電子設備功能的不斷增加。
在現代汽車(chē)中，典型的電子模塊和系統包括發(fā)動(dòng)機控制模塊，它又包括電子閥和流量閥的控制；傳動(dòng)系統控制模塊；發(fā)電機以及啟動(dòng)電機的控制模塊；安全氣囊控制模塊；ABS系統；雨刷控制模塊；車(chē)窗與天窗控制模塊；GPS系統，包括指南針和導航計算機；溫度和濕度控制模塊；自動(dòng)調焦鏡控制模塊；懸架控制模塊；LED燈光控制模塊；防碰撞控制模塊；自動(dòng)駕駛控制模塊；自動(dòng)制動(dòng)控制模塊等。由于這些新型系統在車(chē)輛應用中的增加，導致對電源負載以每年100W的速度增加，且對于象發(fā)動(dòng)機閥門(mén)和執行器這樣功耗大的機電一體化裝置來(lái)說(shuō)，功率可能高達1kW，所以很可能會(huì )導致電源系統很快耗盡。有三種主要方法可以?xún)?yōu)化汽車(chē)電子設備的功能而不增加功耗。提高系統的工作效率、增加電源系統的工作效率、系統不用時(shí)保持關(guān)閉狀態(tài)。例如，對于啟動(dòng)發(fā)電機來(lái)說(shuō)，利用汽車(chē)停止的幾秒時(shí)間來(lái)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機的節氣閥，并在駕駛員碰到腳踏板時(shí)重新啟動(dòng)，可以增加工作的效率；同時(shí)，可以控制汽車(chē)的燃油泵，使其和駕駛員的要求相匹配。這些都是通過(guò)系統級的方法來(lái)保證系統高效的運行。
開(kāi)關(guān)電源取代線(xiàn)性電壓源可以大大提高系統的工作效率。但是，由于開(kāi)關(guān)電源的較高成本(增加了電感、變壓器、二極管、濾波器以及通用IC)，以及潛在的EMI問(wèn)題，汽車(chē)工程師不太愿意采用開(kāi)關(guān)電源。
開(kāi)關(guān)電源技術(shù)將可以應用在14/42V結合的電氣系統中，但是目前的條件還不成熟。盡管開(kāi)關(guān)電源的線(xiàn)性電源具有較高的工作效率，但是當把42V的電壓降低到“分散的”線(xiàn)性電源可使用的低電壓時(shí)，會(huì )產(chǎn)生很多的損失。例如，一個(gè)效率為85％的10W開(kāi)關(guān)電源，在轉換時(shí)有1.5W的損失。當增加的管芯溫度成為關(guān)鍵因素時(shí)，14V系統就不會(huì )再用線(xiàn)性調節器了。從技術(shù)的發(fā)展來(lái)說(shuō)，汽車(chē)電子落后于計算機發(fā)展的步伐。例如，在汽車(chē)電子中仍然廣泛采用5V微處理器。對于一個(gè)5V的調節器來(lái)說(shuō)，當從14V的電池中吸收100mA電流時(shí)，消耗的功率為0.9W，而當汽車(chē)電子產(chǎn)品的電壓降低時(shí)，其功耗將會(huì )大大增加。如果5V調節器的電壓降到1.8V(電流仍然為100mA)，那么消耗的功率會(huì )增加35％，達到1.22W。為了保證工作的可靠性，應當降低系統的工作電流，或者設計更低熱阻的封裝，以使調節器的溫度低于150℃。

關(guān)閉電子設備
在應用過(guò)程中，要關(guān)閉電子設備并不是那么容易。很明顯，需要在汽車(chē)不運行以及所選的電子設備不工作的狀態(tài)下關(guān)閉。而由于所有新型的控制模塊都需要汲取電池的電流，所以，當汽車(chē)處于怠速狀態(tài)下，不關(guān)閉控制模塊將會(huì )導致電池耗盡。
以前的汽車(chē)IC設計很少考慮所汲取的電流，所以經(jīng)濟型的設計應主要考慮在汽車(chē)環(huán)境下可靠性工作的能力，為了降低工作電流，調節器主要采用了“使能”功能，但是，現在線(xiàn)性調節器的設計更多的是為了滿(mǎn)足100mA的睡眠模式電流。當連接到電池上的模塊不在激活狀態(tài)時(shí)，所汲取的電流為100mA。對于本身吸收150mA的調節器來(lái)說(shuō)，模塊所汲取的電流必須低于100mA。
一旦電子系統被集成到汽車(chē)模塊中，它的使用周期將達5到10年。

最新調節器
目前市場(chǎng)上出現了一種新型線(xiàn)性調節器，它可以把睡眠模式下的150mA電流降低到1mA以下。而且發(fā)展趨勢表明，降低睡眠模式的電流是降低功耗的主要途徑，但是成本如何呢？拿可以降到1mA的調節器來(lái)說(shuō)，對管芯尺寸的影響可能高達10％，而管芯的尺寸直接和成本有關(guān)。但是對于汽車(chē)設計師來(lái)說(shuō)，為了得到汽車(chē)電子設備的最優(yōu)性能，這是目前可行的發(fā)展方向。降低電子設備中的負載需求也日益凸現出來(lái)，由于車(chē)輛大多采用多元控制的方式，如采用低速或者高速的CAN網(wǎng)絡(luò )以及較新的LIN網(wǎng)絡(luò )，總線(xiàn)系統使得汽車(chē)廠(chǎng)家可以減少線(xiàn)的使用量，以降低汽車(chē)的重量，有效的控制可以保證在模塊不使用時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)。
在代碼的執行驗證、外部頻率監視以及降低靜態(tài)電流這些場(chǎng)合，都可以采用看門(mén)狗調節器(見(jiàn)圖1)。一般情況下，看門(mén)狗發(fā)送喚醒信號給微處理器，然后微處理器檢查開(kāi)關(guān)輸入的狀態(tài)，并發(fā)回一個(gè)信號給看門(mén)狗調節器，最后返回睡眠模式，從而節省能量的消耗。喚醒信號的波形是一個(gè)連續的信號，以喚醒睡眠狀態(tài)的微處理器，其工作頻率遠遠低于微處理器的工作頻率。所以一旦微處理器被喚醒，它將決定所需要執行的任務(wù)，然后返回到睡眠模式。微處理器發(fā)送信號給調節器的看門(mén)狗輸入引腳，以確定代碼執行以及外部監視。在每個(gè)喚醒事件過(guò)程中或者復位線(xiàn)變低時(shí)，看門(mén)狗的輸入引腳都必須接收信號?！?(紅林譯)