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汽车电子需要创新的低功耗技术

作者:■ 安森美半导体公司 Frank Kolanko时间:2005-04-27来源:eaw

汽车对标准14V电气系统设备的需求将在42V电气系统出现后有所改变。对于的系统设计师来说,考虑到向42V电气系统过渡缓慢,目前他们正在对电子系统的功耗进行优化。
在1988年,德国奔驰汽车公司开始为所设计的豪华轿车进行42V电气系统的初步构想,但直到1995年,美国麻省理工学院的42V技术组织才正式形成。且由于成本方面的影响,42V电气系统的进程非常缓慢。所以对于系统设计师来说,在42V电气标准未正式出台以前,所面临的最大挑战是在相同的电池电源条件下,找到新的方法来保证设备功能的不断增加。
在现代汽车中,典型的电子模块和系统包括发动机控制模块,它又包括电子阀和流量阀的控制;传动系统控制模块;发电机以及启动电机的控制模块;安全气囊控制模块;ABS系统;雨刷控制模块;车窗与天窗控制模块;GPS系统,包括指南针和导航计算机;温度和湿度控制模块;自动调焦镜控制模块;悬架控制模块;LED灯光控制模块;防碰撞控制模块;自动驾驶控制模块;自动制动控制模块等。由于这些新型系统在车辆应用中的增加,导致对电源负载以每年100W的速度增加,且对于象发动机阀门和执行器这样功耗大的机电一体化装置来说,功率可能高达1kW,所以很可能会导致电源系统很快耗尽。有三种主要方法可以优化汽车电子设备的功能而不增加功耗。提高系统的工作效率、增加电源系统的工作效率、系统不用时保持关闭状态。例如,对于启动发电机来说,利用汽车停止的几秒时间来关闭发动机的节气阀,并在驾驶员碰到脚踏板时重新启动,可以增加工作的效率;同时,可以控制汽车的燃油泵,使其和驾驶员的要求相匹配。这些都是通过系统级的方法来保证系统高效的运行。
开关电源取代线性电压源可以大大提高系统的工作效率。但是,由于开关电源的较高成本(增加了电感、变压器、二极管、滤波器以及通用IC),以及潜在的EMI问题,汽车工程师不太愿意采用开关电源。
开关电源技术将可以应用在14/42V结合的电气系统中,但是目前的条件还不成熟。尽管开关电源的线性电源具有较高的工作效率,但是当把42V的电压降低到“分散的”线性电源可使用的低电压时,会产生很多的损失。例如,一个效率为85%的10W开关电源,在转换时有1.5W的损失。当增加的管芯温度成为关键因素时,14V系统就不会再用线性调节器了。从技术的发展来说,汽车电子落后于计算机发展的步伐。例如,在汽车电子中仍然广泛采用5V微处理器。对于一个5V的调节器来说,当从14V的电池中吸收100mA电流时,消耗的功率为0.9W,而当汽车电子产品的电压降低时,其功耗将会大大增加。如果5V调节器的电压降到1.8V(电流仍然为100mA),那么消耗的功率会增加35%,达到1.22W。为了保证工作的可靠性,应当降低系统的工作电流,或者设计更低热阻的封装,以使调节器的温度低于150℃。

关闭电子设备
在应用过程中,要关闭电子设备并不是那么容易。很明显,需要在汽车不运行以及所选的电子设备不工作的状态下关闭。而由于所有新型的控制模块都需要汲取电池的电流,所以,当汽车处于怠速状态下,不关闭控制模块将会导致电池耗尽。
以前的汽车IC设计很少考虑所汲取的电流,所以经济型的设计应主要考虑在汽车环境下可靠性工作的能力,为了降低工作电流,调节器主要采用了“使能”功能,但是,现在线性调节器的设计更多的是为了满足100mA的睡眠模式电流。当连接到电池上的模块不在激活状态时,所汲取的电流为100mA。对于本身吸收150mA的调节器来说,模块所汲取的电流必须低于100mA。
一旦电子系统被集成到汽车模块中,它的使用周期将达5到10年。

最新调节器
目前市场上出现了一种新型线性调节器,它可以把睡眠模式下的150mA电流降低到1mA以下。而且发展趋势表明,降低睡眠模式的电流是降低功耗的主要途径,但是成本如何呢?拿可以降到1mA的调节器来说,对管芯尺寸的影响可能高达10%,而管芯的尺寸直接和成本有关。但是对于汽车设计师来说,为了得到汽车电子设备的最优性能,这是目前可行的发展方向。降低电子设备中的负载需求也日益凸现出来,由于车辆大多采用多元控制的方式,如采用低速或者高速的CAN网络以及较新的LIN网络,总线系统使得汽车厂家可以减少线的使用量,以降低汽车的重量,有效的控制可以保证在模块不使用时处于关闭状态。
在代码的执行验证、外部频率监视以及降低静态电流这些场合,都可以采用看门狗调节器(见图1)。一般情况下,看门狗发送唤醒信号给微处理器,然后微处理器检查开关输入的状态,并发回一个信号给看门狗调节器,最后返回睡眠模式,从而节省能量的消耗。唤醒信号的波形是一个连续的信号,以唤醒睡眠状态的微处理器,其工作频率远远低于微处理器的工作频率。所以一旦微处理器被唤醒,它将决定所需要执行的任务,然后返回到睡眠模式。微处理器发送信号给调节器的看门狗输入引脚,以确定代码执行以及外部监视。在每个唤醒事件过程中或者复位线变低时,看门狗的输入引脚都必须接收信号。■ (红林译)



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