【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】電動(dòng)汽車(chē)監(jiān)視和控制功耗技巧電動(dòng)汽車(chē)電源控制和遙測(cè)方案分析監(jiān)視和控制功耗的幾種方法

要監(jiān)視電子系統(tǒng)的功耗，就需要連續(xù)測(cè)量電流和電壓。電壓可以直接用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)測(cè)量。如果ADC輸入范圍小于所監(jiān)視的電壓，那么也許需要一個(gè)電阻分壓器(圖1)。]

圖1：測(cè)量電源軌上的輸入電壓和負(fù)載電流(檢測(cè)電壓)

為了測(cè)量電流，需要在電源通路中放置一個(gè)檢測(cè)電阻器，再測(cè)量其壓降。如圖1所示，跨導(dǎo)放大器將高壓側(cè)檢測(cè)電壓轉(zhuǎn)換成電流輸出，該電流流經(jīng)增益設(shè)定電阻器，以產(chǎn)生一個(gè)以地為基準(zhǔn)并與負(fù)載電流成比例以及適合饋送給ADC的電壓。

為了限度降低功耗，全標(biāo)度檢測(cè)電壓限制為幾十毫伏。因此，放大器輸入失調(diào)需要低于100?V。

為了計(jì)算功率，必須使用通過(guò)ADC數(shù)字接口訪問(wèn)ADC數(shù)據(jù)的微控制器或處理器，以實(shí)現(xiàn)電壓讀數(shù)和電流讀數(shù)相乘。要監(jiān)視能耗，需要在一定時(shí)間內(nèi)累計(jì)(相加)功率讀數(shù)。

為了開(kāi)關(guān)電源，一般在汽車(chē)電路中會(huì)使用機(jī)電繼電器。

為了節(jié)省空間，會(huì)用N溝道和P溝道MOSFET等固態(tài)開(kāi)關(guān)取代繼電器，從而產(chǎn)生所有組件都在同一塊電路板上、可以統(tǒng)一采用再流焊工藝組裝的PCB設(shè)計(jì)。P溝道MOSFET通過(guò)拉低其柵極電平而接通，通過(guò)將柵極連接至輸入電壓而斷開(kāi)。與N溝道MOSFET相比，P溝道MOSFET在導(dǎo)通電阻相同時(shí)成本更高，而且其選擇范圍很窄，限于較大電流值(高于10A)情況。N溝道MOSFET是應(yīng)對(duì)大電流的選擇，但是需要充電泵，以提高柵極電壓，使其高于輸入電壓。例如，12V輸入需要22V柵極電壓，即MOSFET柵極要高出輸入10V。圖2顯示了一個(gè)電源開(kāi)關(guān)電路的實(shí)現(xiàn)。

圖2：用N溝道MOSFET實(shí)現(xiàn)電源軌的接通/斷開(kāi)

常見(jiàn)的電源總線也需要針對(duì)短路和過(guò)載故障提供保護(hù)，這類(lèi)故障可能在任何板卡或模塊中出現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)電路斷路器功能，可以比較圖1中放大器的輸出和一個(gè)過(guò)流門(mén)限，以斷開(kāi)圖2中的柵極驅(qū)動(dòng)器。這種方案取代了保險(xiǎn)絲，因?yàn)楸ｋU(xiǎn)絲反應(yīng)速度慢、容限太寬且熔斷后需要更換。為了節(jié)省電路板空間，人們希望在開(kāi)關(guān)、保護(hù)和監(jiān)視汽車(chē)電源總線中的功率流動(dòng)時(shí)，采用集成式解決方案。

集成式電源控制與遙測(cè)解決方案

LTC4282是一款可熱插拔的控制器和電路斷路器，提供能量遙測(cè)功能和EEPROM(圖3)，憑借創(chuàng)新性雙電流通路特色，滿(mǎn)足了大電流應(yīng)用的需求。該控制器通過(guò)控制外部N溝道MOSFET，可平滑地給大容量電容器加電，從而防止出現(xiàn)輸入電源干擾以及電流到達(dá)破壞性水平，因此可確保電源在2.9V至33V范圍內(nèi)安全接通和斷開(kāi)。LTC4282位于通往電路板電源的入口，其準(zhǔn)確度為0.7%的12位或16位ADC通過(guò)一個(gè)I2C/SMBus數(shù)字接口電路板電壓、電流、功率和能耗。內(nèi)部EEPROM為存放器設(shè)置和故障記錄數(shù)據(jù)提供非易失性存儲(chǔ)，從而可在開(kāi)發(fā)過(guò)程中及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，加速調(diào)試和故障分析。

圖3：具功率/能量遙測(cè)功能和EEPROM的LTC4282電路斷路器

LTC4282具準(zhǔn)確度為2%的電流限制電路斷路器，限度減少了過(guò)流設(shè)計(jì)，這在大功率時(shí)更加重要。在出現(xiàn)過(guò)流情況時(shí)，LTC4282折返電流限制，以在可調(diào)超時(shí)時(shí)間內(nèi)保持恒定MOSFET功耗。定時(shí)器到了定時(shí)時(shí)間后，電路斷路器斷開(kāi)故障模塊和公用電源總線的連接。空閑模塊也可以斷開(kāi)與電源總線的連接以節(jié)省功率。能夠以數(shù)字方式配置的電路斷路器門(mén)限允許隨負(fù)載變化開(kāi)展動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，方便了小電阻值檢測(cè)電阻器的選擇。所監(jiān)視電氣參數(shù)的值和值都記錄下來(lái)，當(dāng)超過(guò)8位可調(diào)門(mén)，就發(fā)出警示信號(hào)。為了防止給電路板造成災(zāi)難性損壞，這些MOSFET受到連續(xù)監(jiān)視，以發(fā)現(xiàn)異常情況，例如低柵極電壓和漏-源短路或大的壓差。

SOA共享路徑

雖然LTC4282控制單個(gè)電源，可是它為負(fù)載電流提供了兩條平行的電流限制路徑。采用傳統(tǒng)單路控制器的大電流電路板使用多個(gè)并聯(lián)的MOSFET以降低導(dǎo)通電阻，但是所有這些MOSFET都需要具有大的安全工作區(qū)(SOA)以安然承受過(guò)流故障，這是因?yàn)椴荒芗僭O(shè)并聯(lián)的MOSFET在電流限制期間分擔(dān)電流。

另外，MOSFET的選擇范圍在較高的電流水平上變窄，價(jià)格走高，而且SOA的水平跟不上RDS(ON)的下降。通過(guò)把電流分離到兩條精準(zhǔn)匹配的電流限制路徑之中，LTC4282可確保兩組MOSFET即使在過(guò)載情況下也將均分電流。對(duì)于100A應(yīng)用，每條路徑的設(shè)計(jì)電流限值為50A，因而把SOA要求減低了一半，拓寬了MOSFET的選擇范圍，并降低了其成本。這被稱(chēng)為一種“匹配”或“并聯(lián)”配置，因?yàn)閮蓷l路徑是采用相似的MOSFET和檢測(cè)電阻器設(shè)計(jì)的。

此外，LTC4282的雙電流路徑還用于使MOSFETSOA要求與導(dǎo)通電阻脫鉤。大的SOA對(duì)于啟動(dòng)浪涌、電流限制和輸入電壓階躍等具有巨大應(yīng)力的情況是很重要的。當(dāng)MOSFET柵極完全接通時(shí)，低的導(dǎo)通電阻可降低正常操作期間的電壓降和功率損耗。不過(guò)，這些是存在沖突的要求，因?yàn)镸OSFETSOA通常隨著導(dǎo)通電阻的改善而變差。LTC4282允許采用一條具有一個(gè)能處理應(yīng)力情況之MOSFET的路徑，和另一條具有低導(dǎo)通電阻MOSFET的路徑。這被稱(chēng)為一種分級(jí)起動(dòng)配置。

一般來(lái)說(shuō)，在啟動(dòng)、電流限制和輸入電壓階躍期間應(yīng)力處理路徑接通，而RDS(ON)路徑則保持關(guān)斷。RDS(ON)路徑在正常操作過(guò)程中接通以旁路應(yīng)力路徑，為負(fù)載電流提供一條低導(dǎo)通電阻路徑，從而減少電壓降和功率損耗。視啟動(dòng)時(shí)MOSFET應(yīng)力大小的不同，有兩種分級(jí)起動(dòng)配置，即低應(yīng)力(圖4)和高應(yīng)力。

圖4a：低應(yīng)力分級(jí)起動(dòng)配置可為>50A的應(yīng)用提供的成本

圖4b：利用低應(yīng)力分級(jí)起動(dòng)配置實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)：GATE1首先接通以對(duì)輸出開(kāi)展涓流充電(具有一個(gè)2A的低浪涌電流水平)。GATE2在SOURCE(輸出)變至高于電源良好門(mén)接通。

高應(yīng)力分級(jí)起動(dòng)配置推薦用于50A以下的應(yīng)用電流水平，而并聯(lián)和低應(yīng)力分級(jí)起動(dòng)配置則推薦用于50A以上的應(yīng)用。與單路徑設(shè)計(jì)相比，的MOSFET成本由低應(yīng)力分級(jí)起動(dòng)配置提供，代價(jià)是在瞬變情況下不間斷運(yùn)行的能力受限，而且不能利用負(fù)載電流完成啟動(dòng)。并聯(lián)和高應(yīng)力分級(jí)起動(dòng)配置可啟動(dòng)一個(gè)負(fù)載并提供計(jì)時(shí)周期較長(zhǎng)的故障定時(shí)器，可在持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的過(guò)載條件和輸入電壓階躍情況下不間斷地運(yùn)行。

結(jié)論

在過(guò)去20年，在動(dòng)力轉(zhuǎn)向、ABS剎車(chē)、便利性、行車(chē)安全、娛樂(lè)等功能的驅(qū)動(dòng)下，汽車(chē)中采用的電子系統(tǒng)一直在快速增加。隨著汽車(chē)向全面互聯(lián)和完全自主行駛的方向發(fā)展，電子系統(tǒng)的增加還會(huì)加速，這增大了對(duì)珍貴的電池功率的需求。仔細(xì)的功耗監(jiān)視加上關(guān)閉空閑系統(tǒng)有