汽車電子需要創(chuàng)新的低功耗技術
汽車對標準14V電氣系統(tǒng)設備的需求將在42V電氣系統(tǒng)出現(xiàn)后有所改變。對于汽車電子的系統(tǒng)設計師來說,考慮到向42V電氣系統(tǒng)過渡緩慢,目前他們正在對電子系統(tǒng)的功耗進行優(yōu)化。
在1988年,德國奔馳汽車公司開始為所設計的豪華轎車進行42V電氣系統(tǒng)的初步構想,但直到1995年,美國麻省理工學院的42V技術組織才正式形成。且由于成本方面的影響,42V電氣系統(tǒng)的進程非常緩慢。所以對于汽車電子系統(tǒng)設計師來說,在42V電氣標準未正式出臺以前,所面臨的最大挑戰(zhàn)是在相同的電池電源條件下,找到新的方法來保證汽車電子設備功能的不斷增加。
在現(xiàn)代汽車中,典型的電子模塊和系統(tǒng)包括發(fā)動機控制模塊,它又包括電子閥和流量閥的控制;傳動系統(tǒng)控制模塊;發(fā)電機以及啟動電機的控制模塊;安全氣囊控制模塊;ABS系統(tǒng);雨刷控制模塊;車窗與天窗控制模塊;GPS系統(tǒng),包括指南針和導航計算機;溫度和濕度控制模塊;自動調(diào)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;自動駕駛控制模塊;自動制動控制模塊等。由于這些新型系統(tǒng)在車輛應用中的增加,導致對電源負載以每年100W的速度增加,且對于象發(fā)動機閥門和執(zhí)行器這樣功耗大的機電一體化裝置來說,功率可能高達1kW,所以很可能會導致電源系統(tǒng)很快耗盡。有三種主要方法可以優(yōu)化汽車電子設備的功能而不增加功耗。提高系統(tǒng)的工作效率、增加電源系統(tǒng)的工作效率、系統(tǒng)不用時保持關閉狀態(tài)。例如,對于啟動發(fā)電機來說,利用汽車停止的幾秒時間來關閉發(fā)動機的節(jié)氣閥,并在駕駛員碰到腳踏板時重新啟動,可以增加工作的效率;同時,可以控制汽車的燃油泵,使其和駕駛員的要求相匹配。這些都是通過系統(tǒng)級的方法來保證系統(tǒng)高效的運行。
開關電源取代線性電壓源可以大大提高系統(tǒng)的工作效率。但是,由于開關電源的較高成本(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問題,汽車工程師不太愿意采用開關電源。
開關電源技術將可以應用在14/42V結合的電氣系統(tǒng)中,但是目前的條件還不成熟。盡管開關電源的線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”線性電源可使用的低電壓時,會產(chǎn)生很多的損失。例如,一個效率為85%的10W開關電源,在轉(zhuǎn)換時有1.5W的損失。當增加的管芯溫度成為關鍵因素時,14V系統(tǒng)就不會再用線性調(diào)節(jié)器了。從技術的發(fā)展來說,汽車電子落后于計算機發(fā)展的步伐。例如,在汽車電子中仍然廣泛采用5V微處理器。對于一個5V的調(diào)節(jié)器來說,當從14V的電池中吸收100mA電流時,消耗的功率為0.9W,而當汽車電子產(chǎn)品的電壓降低時,其功耗將會大大增加。如果5V調(diào)節(jié)器的電壓降到1.8V(電流仍然為100mA),那么消耗的功率會增加35%,達到1.22W。為了保證工作的可靠性,應當降低系統(tǒng)的工作電流,或者設計更低熱阻的封裝,以使調(diào)節(jié)器的溫度低于150℃。
關閉電子設備
在應用過程中,要關閉電子設備并不是那么容易。很明顯,需要在汽車不運行以及所選的電子設備不工作的狀態(tài)下關閉。而由于所有新型的控制模塊都需要汲取電池的電流,所以,當汽車處于怠速狀態(tài)下,不關閉控制模塊將會導致電池耗盡。
以前的汽車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環(huán)境下可靠性工作的能力,為了降低工作電流,調(diào)節(jié)器主要采用了“使能”功能,但是,現(xiàn)在線性調(diào)節(jié)器的設計更多的是為了滿足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,所汲取的電流為100mA。對于本身吸收150mA的調(diào)節(jié)器來說,模塊所汲取的電流必須低于100mA。
一旦電子系統(tǒng)被集成到汽車模塊中,它的使用周期將達5到10年。
最新調(diào)節(jié)器
目前市場上出現(xiàn)了一種新型線性調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器來說,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。但是對于汽車設計師來說,為了得到汽車電子設備的最優(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(xiàn)出來,由于車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)絡以及較新的LIN網(wǎng)絡,總線系統(tǒng)使得汽車廠家可以減少線的使用量,以降低汽車的重量,有效的控制可以保證在模塊不使用時處于關閉狀態(tài)。
在代碼的執(zhí)行驗證、外部頻率監(jiān)視以及降低靜態(tài)電流這些場合,都可以采用看門狗調(diào)節(jié)器(見圖1)。一般情況下,看門狗發(fā)送喚醒信號給微處理器,然后微處理器檢查開關輸入的狀態(tài),并發(fā)回一個信號給看門狗調(diào)節(jié)器,最后返回睡眠模式,從而節(jié)省能量的消耗。喚醒信號的波形是一個連續(xù)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(zhí)行的任務,然后返回到睡眠模式。微處理器發(fā)送信號給調(diào)節(jié)器的看門狗輸入引腳,以確定代碼執(zhí)行以及外部監(jiān)視。在每個喚醒事件過程中或者復位線變低時,看門狗的輸入引腳都必須接收信號?!?(紅林譯)
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