如何保障汽車信息娛樂(lè)和機(jī)群系統(tǒng)的熱安全性？

目前，下一代汽車配備了越來(lái)越復(fù)雜的信息娛樂(lè)和機(jī)群系統(tǒng)。但是現(xiàn)代汽車中電子器件的數(shù)量增加會(huì)消耗更多能量，從而產(chǎn)生更多熱量。由于駕駛座熱量增加，汽車儀表盤已經(jīng)暴露在陽(yáng)光和高溫下。

整個(gè)信息娛樂(lè)和機(jī)群系統(tǒng)的熱量會(huì)不斷增加，所以汽車制造商現(xiàn)在必須克服新的熱管理難題。為吸引客戶，他們需要在有限的預(yù)算的前提下，提供功能豐富且舒適的駕駛體驗(yàn)，同時(shí)確保這些系統(tǒng)提供的關(guān)鍵功能能夠安全可靠地運(yùn)行。

圖1顯示了各類信息娛樂(lè)和機(jī)群應(yīng)用程序，每種應(yīng)用程序都有各自的散熱問(wèn)題。

圖1：信息娛樂(lè)和機(jī)群系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題是熱問(wèn)題

保護(hù)汽車頭部單元中過(guò)載的微處理器

汽車的頭部單元已成為信息娛樂(lè)系統(tǒng)的主控制面板，匯集了許多先前分散在整個(gè)汽車中的不同功能，并配有各種按鈕。這種集中化使得此頭部單元成為信息娛樂(lè)系統(tǒng)的“大腦”，具有應(yīng)用處理器的重要處理能力，且隨著處理負(fù)載的增加，處理器往往會(huì)快速升溫。

大部分的熱量和風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自這些微處理器的核心。為獲得最可靠的溫度測(cè)量，無(wú)論是基底熱敏晶體管還是處理器裸片中的二極管，通常是通過(guò)P-N接點(diǎn)進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)。

德州儀器針對(duì)這些遙感情況設(shè)計(jì)了TMP451-Q1，無(wú)論是在遠(yuǎn)程通道（處理器內(nèi)核）還是本地（放置溫度傳感器的地方），其典型精度在-40°C至125°C范圍內(nèi)均為±1°C，可為系統(tǒng)提供兩個(gè)溫度讀數(shù)。為限制功耗以及由此影響溫度精度的自熱，TMP451-Q1使用1.7V至3.6V的低電源供電，僅消耗27 μA的工作電流，且每秒進(jìn)行0.0625次轉(zhuǎn)換。

TMP451-Q1還具有8針腳、2mm x 2mm的極薄型小外形無(wú)引線封裝，因此也非常適合空間受限的音響主機(jī)PCB電路板。該封裝還有一個(gè)2.5mmx2.5mm的可濕性側(cè)面，也符合汽車工業(yè)中用于在電子板上進(jìn)行快速焊料驗(yàn)證的自動(dòng)光學(xué)檢查（AOI）工藝。

該器件具有警報(bào)功能，可在溫度升高到特定閾值以上時(shí)用作中斷，從而修改系統(tǒng)行為。兩種警報(bào)功能：THERM和ALERT/THERM2提供了對(duì)系統(tǒng)熱管理的更多控制。

如圖2所示，將首個(gè)中斷（THERM2）設(shè)置為85°C作為警告，可觸發(fā)風(fēng)扇、冷卻系統(tǒng)或降低微處理器的性能，從而降低過(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)。第二個(gè)中斷（THERM）的溫度為110°C，實(shí)際上會(huì)關(guān)閉系統(tǒng)，以免損壞系統(tǒng)。例如，它可命令電源關(guān)閉并開(kāi)始系統(tǒng)重置，直到溫度降至THERM滯后以下。

圖2：TMP451-Q1中的THERM和THERM2中斷操作

在可重新配置的機(jī)群中準(zhǔn)確測(cè)量系統(tǒng)溫度

汽車儀表盤可提供重要信息，例如速度、RPM、燃油油位和油溫表 —— 這些信息將影響駕駛員的決策。

但是如今，類似于音響主機(jī)的數(shù)字化，儀表盤正在升級(jí)為可重新配置的機(jī)群。這些可重新配置的機(jī)群提供個(gè)性化顯示，包括導(dǎo)航、媒體、聯(lián)系人等。這對(duì)微處理器要求極其苛刻。隨著加工需求的增加，微處理器會(huì)自動(dòng)加熱，特別是由于方向盤后面的空間極其有限，通常無(wú)法通風(fēng)。

為獲得相關(guān)的溫度測(cè)量值，可在微處理器附近放置極小的溫度傳感器，這將有助于提高讀取精度。借助高度精確的讀數(shù)，您可通過(guò)選擇規(guī)格較低的微處理器來(lái)使系統(tǒng)性能接近其熱設(shè)計(jì)限值，或降低系統(tǒng)成本。

的確，盡管大多數(shù)處理器都內(nèi)置了溫度傳感器，但是由于晶圓和其他各種批次之間的差異，精度僅在±4°C時(shí)保持一致。由于讀數(shù)精度存在這種差異，因此您必須考慮比±1°C精度讀數(shù)更寬的安全裕度。這種情況下，微處理器將具有3°C的額外性能空間，而不會(huì)過(guò)于接近熱設(shè)計(jì)限值（請(qǐng)參見(jiàn)圖3）。

圖3：通過(guò)高精度熱監(jiān)測(cè)提高系統(tǒng)性能

TMP235-Q1在-40°C至150°C（0級(jí)）范圍內(nèi)具有±0.5°C的精度。該器件占板面積極小（2.00 mmx1.25 mm —— 見(jiàn)圖4）且功耗低。

圖4：TMP235-Q1模擬溫度傳感器

保護(hù)系統(tǒng)和USB充電器免受熱損壞

新型USB充電器不僅支持USB Type A，而且現(xiàn)在支持USB Type-C?，通常具有60 W至100 W的功率傳輸能力。如果您有多個(gè)端口，則此瓦數(shù)會(huì)成倍增加，會(huì)變熱并存在潛在危險(xiǎn)。USB控制器集成電路（IC）通常具有可編程的電纜下垂補(bǔ)償，以幫助便攜式器件在重負(fù)載下以最佳電流和電壓充電。實(shí)現(xiàn)用于智能熱管理的熱敏電阻可向USB控制器提供溫度指示，并使它們將輸出電流限值更改為較低電平，以降低溫度。

例如，TMP61-Q1是具有正熱系數(shù)的熱敏電阻，可在極小的封裝中提供線性輸出：1 mm x 0.5 mm。

當(dāng)溫度超過(guò)由電阻器、電壓或工廠編程設(shè)定的特定閾值時(shí)，溫度開(kāi)關(guān)還可通過(guò)向USB控制器IC發(fā)送警報(bào)來(lái)保護(hù)系統(tǒng)免受過(guò)熱影響。該警報(bào)可繞過(guò)微控制器（MCU）做出更快、更直接的決策。根據(jù)溫度閾值，MCU也可能在低于溫度傳感器的溫度下發(fā)生故障。因此，需要一種可關(guān)閉汽車的這種非關(guān)鍵功能的保護(hù)系統(tǒng)，以確保乘客安全并避免熱失控。此外，與離散實(shí)現(xiàn)相比（圖5），使用溫度開(kāi)關(guān)具有成本優(yōu)勢(shì)，因?yàn)闊o(wú)需使用比較器和基準(zhǔn)電壓源之類的額外電路就可檢測(cè)閾值。

圖5：溫度開(kāi)關(guān)的離散實(shí)現(xiàn)

TMP390-Q1電阻器可編程溫度開(kāi)關(guān)覆蓋-40°C至+ 125°C的溫度范圍，最大精度為±3.0°C。它具有兩個(gè)通道，可同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立的過(guò)溫（熱）和低溫（冷）檢測(cè)（見(jiàn)圖6）。TMP390-Q1還是熱敏電阻的低功耗替代品，因?yàn)樗商峁?.62至5.5 V的電源，并在25°C時(shí)消耗0.5 μA的電流。該器件提供了最簡(jiǎn)易的熱保護(hù)實(shí)現(xiàn)方案，并且也是高度集成的器件，因?yàn)樵撈骷谝粋€(gè)芯片中同時(shí)提供了冷熱保護(hù)功能。

圖6：TMP390-Q1的低溫和過(guò)熱保護(hù)

信息娛樂(lè)系統(tǒng)中有多種處理溫度監(jiān)測(cè)和保護(hù)的方法，還有許多其他方面需要考慮。隨著汽車內(nèi)各種功能和顯示器數(shù)量的增加，汽車加工要求也在不斷上升，確保熱安全對(duì)于避免事故至關(guān)重要。