安森美半导体的汽车空调自动控制方案促进节能

2015-12-11

中国照明 2015年12期

空调是满足汽车舒适性要求不可或缺的配置，用作车内制冷、取暖、通风换气，而且舒适的驾乘环境也关乎行车安全。而自动空调比传统的手动空调更方便，可根据用户设定的温度自动检测和调节，让车内的温度和湿度处于设定范围之内。而且，自动空调还有助于节能减排，提升燃油经济性。

汽车空调典型的供电结构

一般来讲，汽车电压分为24V系统和12V系统：24V电源可采用经大功率TVS（瞬态电压抑制器）)，然后由低压降稳压器（LDO）转至5V，同时为电机驱动器供电；也可采用经成本较高的DC-DC降压器降至12V，然后由LDO转至5V，同时为电机驱动器供电；12V电源经LDO为单片机、传感器等元件供电，同时直接为直流/步进电机等电机驱动器供电。

图1. 汽车空调典型的供电结构

如果采用24V供电系统，需要考虑高耐压产品，同时兼顾热管理、电源能效和成本控制等问题；如果采用12V供电系统，则需考虑成本、静态电流（Iq）及封装等因素。

安森美半导体为汽车空调系统提供丰富阵容的LDO，其中标准静态功耗系列（Iq＞100uA）如NCV4264-2、NCV4266-2，低静态功耗系列（Iq＜100uA）如NCV8501、NCV8502，非常低静态功耗系列（Iq＜50uA）如NCV8664、NCV8660，超低静态功耗系列（Iq＜33uA）如NCV8768、NCV8769，满足设计的不同需求。

安森美半导体还提供为传感器供电的电压跟随器NCV8184，具可调节的缓冲输出电压，密切匹配参考输入电压（精度达±3mV）。该器件的输出电流能力为70mA，静态电流仅为70uA，当电流为50mA时，典型压降仅为0.35V，采用SOIC-8封装。

驱动

1.风门执行器驱动

直流电机、单极性步进电机、双极性步进电机为汽车空调风门执行器的三种

典型结构。直流电机风门执行器中包括一个直流电机和一个位置传感器，需要一个完整的H桥（由2个高边开关和2个低边开关组成），来控制电机的正反转，通过内部自带的位置传感器，可以实时的监控风门的位置，实现闭环控制；单极性步进电机的控制只需要4路高边或者4路低边驱动，由于步进电机本身的特性，可以通过计数步进次数来知道风门的位置；双极性步进电机只需要两组线圈，其驱动需要2个H桥（由4个高边开关和4个低边开关组成）来控制两个线圈，与单极性步进电机类似，可以通过计数步进数来得知风门目前的位置。

图2. 风门执行器电机结构及驱动类型

图3. 带独立诊断功能的6路半桥驱动器NCV7728典型应用示例

直流电机风门执行器的正常工作电流约100mA，堵转电流小于450mA，需要H桥驱动来改变运行方向，并提供故障诊断报告及足够的保护功能。安森美半导体的NCV77XX系列完全满足上述需求，能以正向、反向、制动及高阻抗状态工作。以六路半桥驱动器NCV7718为例，6路PMOS作为高边驱动，6路NMOS作为低边驱动，高低边在芯片内部连接，以H半桥作为输出，提供0.55A持续驱动电流，内部集成续流二极管，导通电阻典型值和最大值分别为1Ω和2.25Ω，通过16位SPI接口控制，低功耗（最大消耗电流仅为5Ua），提供驱动状态、低负载保护、过流、过温和温度警告等诊断报告，并集成一系列保护特性如过压/欠压保护、过流关断、过温保护等，采用SSOP-24/SSOP24-EP封装。另外，根据不同的输出需求，可选择安森美半导体的8路半桥驱动器NCV7719或10路半桥驱动器NCV7720。安森美半导体还提供带独立诊断功能的6路半桥驱动器NCV7728，该器件峰值电流为0.55A，导通电阻典型值和最大值分别为1Ω和2Ω，接口兼容3.3 V/5V单片机，在睡眠模式下提供超低静态功耗，通过16位SPI接口控制（波特率为5MHz，兼容菊花链通信），集成续流保护、过流保护、开路检测、过热关断及过温报警等保护特性。

步进电机风门执行器中，每个电机需要4路驱动，最大工作电流小于300mA，可直接控制或通过LIN总线远程控制。安森美半导体用于汽车空调的单极性步进电机驱动器有NCV7608和NCV7240。NCV7608是8路高低边可配置驱动器，每通道可提供350mA驱动电流，提供完善的保护功能，采用SOIC28封装，通过AEC-Q101认证；NCV7420是8路低边驱动器，每通道可提供600mA驱动电流，通过16位SPI接口控制，提供开路诊断、过载保护、过温保护等完善的诊断和保护功能，采用SSOP24封装，通过AEC-Q100认证。安森美半导体用于汽车空调的双极性步进电机驱动器有AMIS30730和NCV70501，这两款器件的驱动电流均为300mA。AMIS30730采用LIN接口，内含MCU、ROM、RAM和EEPROM；而NCV70501采用SPI接口。

2.高/低边驱动

SmartFET用于外部负载（例如在中央电器盒中的继电器）的控制，可用作高边或低边驱动，这些驱动自身需要额外的保护功能如短路保护、热关断、过压保护、逻辑电平控制和ESD保护等。安森美半导体的NCV8452是一款高边SmartFET，该器件的导通电阻为200mΩ，过压保护等级为41V，输出电流限制值为1A，集成了丰富的保护特性，如短路保护、过载保护、过温关断及自动重启、内部钳位二极管过压保护、ESD保护及逻辑电平控制等，结温-40～150℃。安森美半导体用作高/低边智能驱动的器件还有NCV8440、NCV8450、NCV8401/2/3/5/6，提供不同的钳位电压、导通电阻、输出电流等参数。

3.鼓风机驱动

鼓风机分为两大类：有刷直流电机和无刷直流电机（BLDC）。有刷直流电机最大工作电流为30A，采用PWM控制，含功率MOSFET；而BLDC电机需要用到预驱动器、功率MOSFET。安森美半导体提供如表1所示的用于有刷直流电机和BLDC驱动的N沟道功率MOSFET，以及用于BLDC电机的三相预驱动器，如LV8907UW及MC33033/5等。为帮助工程师简化设计、节省空间，安森美半导体还提供集成预驱动器和功率MOSFET的智能功率模块STK984-xxx系列，内部集成电机驱动算法器、6个MOSFET及驱动电路，通过PWM或电压调速，提供OTP寄存器用于电机参数配置，支持模块化进行无PCB设计，并集成过流保护、过温保护、过压/欠压保护等完善的保护特性。

表1. 用于鼓风机驱动的N沟道功率MOSFET

图4. 智能功率模块STK 984-XXX框图

4.LED驱动——CCR

安森美半导体的恒流稳流器（CCR）用于驱动汽车空调系统中的LED，这类器件内置LED热保护，可替代低成本LDO，降低系统成本，由于没有EMI（电磁干扰），适用于低噪声系统，在宽输入电压范围内提供恒定电流，可抑制由于电压波动引起的LED亮度变化。该系列器件包括两端固定输出版本及三端可调节输出版本，如NSI50010YT1G、NSI45015WT1G、NSI45020T1G、NSI45020AT1G及 NSI45020JZT1G等。

总线收发器

LIN/CAN总线用于实现汽车中的分布式电子系统控制。针对这类应用，安森美半导体提供LIN/CAN收发器，如NCV7321、NCV7342，这些器件都符合IEC61000-4-2标准，其中NCV7342的系统ESD保护能力高于15kV，短路电流不超过100mA，提供优异的电磁兼容（EMC）性能，甚至无需共模扼流圈。

系统基础芯片

系统基础芯片（SBC）是指集成车载网络（如LIN、CAN、FLEXRAY）、电源（如线性稳压器、DC-DC稳压器）、监控（如看门狗、SPI、状态、中断），以及I/O（如高边、低边、LED等）的系统化芯片方案。安森美半导体用于汽车空调的SBC如NCV7420/5/8，是集成LDO的LIN收发器，输出电流分别为50mA、150mA、70mA。