安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于汽車自動(dòng)空調(diào)的電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及分立元件等方案

在當(dāng)今的汽車設(shè)計(jì)中，空調(diào)已是標(biāo)準(zhǔn)的舒適性配置。從功能上講，當(dāng)今的汽車空調(diào)實(shí)際上是將加熱、制冷及通風(fēng)等功能一體化，成為汽車加熱、通風(fēng)空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)(本文將簡(jiǎn)稱為“汽車空調(diào)”)。從調(diào)節(jié)方式講，汽車空調(diào)包括手動(dòng)空調(diào)、半自動(dòng)空調(diào)及自動(dòng)空調(diào)。本文將專門圍繞汽車自動(dòng)空調(diào)進(jìn)行探討，介紹安森美半導(dǎo)體相應(yīng)的電源供電、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及分立元件等方案，幫助設(shè)計(jì)人員選擇適合的產(chǎn)品，用于汽車自動(dòng)空調(diào)設(shè)計(jì)。

汽車空調(diào)系統(tǒng)包含加熱及通風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)制冷及電子控制單元(ECU)等不同子系統(tǒng)。在加熱及通風(fēng)子系統(tǒng)，新鮮空氣從外部的管道通向車廂內(nèi)部，提升乘客的舒適性及安全性。進(jìn)入的空氣流過小的發(fā)熱芯，連接到發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)?？照{(diào)制冷子系統(tǒng)則通過不斷蒸發(fā)和冷凝，將車內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到外面的空氣中，在降低車內(nèi)溫度的同時(shí)也降低濕度。圖1是典型的汽車自動(dòng)空調(diào)界面，圖2則是系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖1. 典型汽車自動(dòng)空調(diào)用戶界面

圖2：汽車空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)圖

汽車空調(diào)的電源供電

如圖2的汽車空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)圖所示，汽車空調(diào)系統(tǒng)需要為微控制器(MCU)、各種傳感器、驅(qū)動(dòng)器、存儲(chǔ)器等供電。常見的汽車電池電壓包括12 V或24 V。如果采用24 V系統(tǒng)供電，則需要高耐壓產(chǎn)品，加強(qiáng)熱管理，提升電源能效并控制成本。如果采用12 V系統(tǒng)供電，則成本更具優(yōu)勢(shì)，要求較低靜態(tài)電流及采用優(yōu)化的封裝。不同供電電壓也涉及到不同的汽車空調(diào)電源供電架構(gòu)圖，如下圖所示。但無論是哪種架構(gòu)，都會(huì)用低壓降(LDO)穩(wěn)壓器將24 V或12 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V。安森美半導(dǎo)體提供陣容豐富的LDO產(chǎn)品，表1列出的是適合于汽車空調(diào)應(yīng)用的LDO。它們能夠承受高輸入電壓，提供低靜態(tài)電流，通過的汽車行業(yè)AEC-Q100認(rèn)證，符合汽車空調(diào)應(yīng)用要求。

圖3：汽車空調(diào)電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)

表1：安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于汽車空調(diào)的LDO穩(wěn)壓器產(chǎn)品列表

汽車中的外部傳感器必須采用穩(wěn)定的電源，即LDO跟隨穩(wěn)壓器(或稱電壓跟隨器)。這些LDO跟隨穩(wěn)壓器必須得到充分保護(hù)，以防諸如對(duì)地短路、電池短路、電池反接等故障；同時(shí)，其輸出電壓必須與參考電壓高度一致。安森美半導(dǎo)體提供具有完善保護(hù)功能的電壓跟隨器NCV8184，為外部傳感器供電。NCV8184是一款單片LDO跟隨穩(wěn)壓器，提供可調(diào)節(jié)的緩沖輸出電壓，且密切匹配參考輸入電壓(精度達(dá)±3 mV)。這器件的輸出電流能力為70 mA，在50 mA電流時(shí)的典型壓降僅為0.35 V；靜態(tài)電流僅為70 μA。

用于汽車空調(diào)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

根據(jù)不同的地區(qū)及不同汽車整車廠的配置需求，汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器可以采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如直流電機(jī)、單極性步進(jìn)電機(jī)及雙極性步進(jìn)電機(jī)。

最常見的風(fēng)門執(zhí)行器是直流電機(jī)，并集成位置傳感器，將風(fēng)門位置信號(hào)反饋給微控制器。為控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，需要使用2個(gè)高邊(HS)開關(guān)及2個(gè)低邊(LS)開關(guān)組成全橋電路。通常情況下，這些高邊或低邊開關(guān)已經(jīng)集成各種完善的保護(hù)，如過壓保護(hù)、過載保護(hù)及過溫保護(hù)等。在步進(jìn)電機(jī)方面，單極性步進(jìn)電機(jī)需使用4個(gè)低邊開關(guān)，而雙極性步進(jìn)電機(jī)需使用4個(gè)高邊開關(guān)和4個(gè)低邊開關(guān)。

圖4：汽車空調(diào)風(fēng)門執(zhí)行器的電機(jī)結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)需求

直流電機(jī)風(fēng)門執(zhí)行器的工作電流一般在100mA左右，最大堵轉(zhuǎn)電流小于450mA。此外，需要H橋驅(qū)動(dòng)來改變運(yùn)行方向。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器還需要故障診斷報(bào)告，且提供足夠的保護(hù)功能。安森美半導(dǎo)體的NCV77xx系列器件可用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)風(fēng)門執(zhí)行器，如NCV7718。NCV7718是一款六路半橋驅(qū)動(dòng)器，高、低邊在驅(qū)動(dòng)器芯片內(nèi)部連接，并以H橋輸出。這器件以6路PMOS作為高邊驅(qū)動(dòng)，6路NMOS作為低邊驅(qū)動(dòng)，能夠提供0.55 A持續(xù)驅(qū)動(dòng)電流，集成了內(nèi)部續(xù)流二極管。NCV7718能以正向、反向、制動(dòng)及高阻態(tài)工作，能夠通過16位SPI接口控制，帶有專門設(shè)計(jì)用于汽車及工業(yè)運(yùn)行控制應(yīng)用的保護(hù)功能，如欠壓及過壓鎖定、過流保護(hù)、過溫保護(hù)、欠載保護(hù)及鑒別故障報(bào)告等。

除了直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，安森美半導(dǎo)體還提供用于汽車空調(diào)的單極性及雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。安森美半導(dǎo)體的單極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括NCV7608和NCV7240等。其中，NCV7608是8路高、低邊可配置驅(qū)動(dòng)器，每通道能提供350 mA驅(qū)動(dòng)電流，并提供完善的保護(hù)功能；NCV7240是8路低邊驅(qū)動(dòng)器，每通道能提供600 mA驅(qū)動(dòng)電流，可采用16位SPI接口控制，也提供完善的保護(hù)功能(如開路診斷、過載保護(hù)及過溫保護(hù)等)。這兩款器件分別采用SOIC28和SSOP24封裝。

圖5：安森美半導(dǎo)體NCV70501及AMIS-30730雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器框圖

安森美半導(dǎo)體用于汽車空調(diào)的雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括AMIS-30730和NCV70501等。汽車空調(diào)的進(jìn)氣風(fēng)門需要采用低噪音設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@個(gè)執(zhí)行器是連續(xù)工作模式。采用NCV70501這樣的雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)低噪音。NCV70501通過H橋驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，可以通過設(shè)置內(nèi)部寄存器來改變電機(jī)的方向和步數(shù)等。AMIS-30730則是單芯片智能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方案，內(nèi)部包含雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、微控制器(MCU)內(nèi)核、LIN接口、ROM、RAM及EEPROM等。

外部負(fù)載高邊或低邊驅(qū)動(dòng)器

除了風(fēng)門執(zhí)行器，還需要驅(qū)動(dòng)或控制外部負(fù)載，如中央電器盒。安森美半導(dǎo)體提供用于外部負(fù)載驅(qū)動(dòng)的SmartFET，可用于高邊或低邊驅(qū)動(dòng)，如NCV8440、NCV8401/2/3/5/6等低邊驅(qū)動(dòng)器，以及NCV8450、NCV8452等高邊驅(qū)動(dòng)器。這些SmartFET是帶保護(hù)的MOSFET，在功率MOSFET的基礎(chǔ)上增加了多種保護(hù)功能及高邊或低邊驅(qū)動(dòng)等。以NCV8452高邊SmartFET為例，這器件的導(dǎo)通阻抗為200 mΩ，過壓保護(hù)等級(jí)為41 V，輸出電流限制值為1 A，集成了豐富的保護(hù)特性，如短路保護(hù)、過載保護(hù)、過溫關(guān)斷及自動(dòng)重啟、內(nèi)部鉗位二極管過壓保護(hù)、ESD保護(hù) 及邏輯電平控制等。

圖6：汽車空調(diào)外部負(fù)載的高邊或驅(qū)動(dòng)架構(gòu)及高邊驅(qū)動(dòng)器NCV8452應(yīng)用示例

鼓風(fēng)機(jī)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及MOSFET

鼓風(fēng)機(jī)是汽車空調(diào)的重要部分，包含有刷直流電機(jī)及無刷直流電機(jī)等不同驅(qū)動(dòng)類型。采用有刷直流電機(jī)時(shí)，采用PWM控制，最大工作電流達(dá)30 A，需要用到功率MOSFET。采用無刷直流電機(jī)時(shí)，需要用到預(yù)驅(qū)動(dòng)器及功率MOSFET。安森美半導(dǎo)體提供用于無刷直流電機(jī)的三相預(yù)驅(qū)動(dòng)器，如LV8901、LV8902及MC33033/5等。安森美半導(dǎo)體還提供用于鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的一系列功率MOSFET，如NVB5860N/NL、NVMFS5830NL、NVMFS5832NL、NVB5404N、NVB5405N、NVD5802及NVD5890N等。

用于汽車空調(diào)的恒流驅(qū)動(dòng)器

安森美半導(dǎo)體基于自偏置晶體管(SBT)技術(shù)的恒流穩(wěn)流器(CCR)同樣可用于在汽車空調(diào)應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)LED。這些LED驅(qū)動(dòng)器包括雙端可調(diào)節(jié)輸出版本及三端可調(diào)節(jié)輸出版本，適合于低噪聲系統(tǒng)。這些CCR內(nèi)置LED熱保護(hù)，能夠替代低成本LDO，可抑制由于電壓波動(dòng)引起的LED亮度變化，通過了汽車級(jí)產(chǎn)品認(rèn)證，幫助縮短設(shè)計(jì)/認(rèn)證時(shí)間。這些低電流CCR LED驅(qū)動(dòng)器包括NSI50010YT1G、NSI45015WT1G、NSI45020T1G、NSI45020AT1G及NSI45020JZT1G等。

用于汽車空調(diào)的其它產(chǎn)品

當(dāng)今的汽車制造商設(shè)計(jì)分散、分布式系統(tǒng)，這些系統(tǒng)通過LIN、CAN及FlexRay?等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口相互連接。安森美半導(dǎo)體提供這些標(biāo)準(zhǔn)接口技術(shù)的車載總線收發(fā)器，其中包括用于汽車空調(diào)的NCV7321 LIN收發(fā)器。這器件的最高通信速率為20 kbps，同時(shí)具備高壓模擬和數(shù)字功能，符合歐洲LIN物理層規(guī)范2.1版及美國SAE J2602-2規(guī)范，符合OEM要求，提供出色的電磁兼容(EMC)性能，系統(tǒng)ESD保護(hù)能力高達(dá)13 kV。

此外，安森美半導(dǎo)體還提供用于多種系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片(SBC)。這些系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片集成了車載網(wǎng)絡(luò)(如LIN、CAN及FlexRay?等收發(fā)器)、電源(如線性穩(wěn)壓器、DC-DC穩(wěn)壓器)、監(jiān)控(如看門狗、SPI、狀態(tài)、中斷)，以及I/O等。其中，用于汽車空調(diào)應(yīng)用的SBC有如NCV7420和NCV7425，這兩款器件集成了LIN收發(fā)器及3.3 V或5 V穩(wěn)壓器，輸出電流能力分別為50 mA及150 mA。

總結(jié)：

汽車空調(diào)是安森美半導(dǎo)體在汽車應(yīng)用中所關(guān)注的核心應(yīng)用之一。 安森美半導(dǎo)體提供一系列應(yīng)用于汽車空調(diào)應(yīng)用的產(chǎn)品，包括電源供電(如LDO及電壓跟隨器)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、SmartFET高邊/低邊驅(qū)動(dòng)器、分立元件(功率MOSFET，CCR LED驅(qū)動(dòng)器)、車載網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器及系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片等。安森美半導(dǎo)體將繼續(xù)致力于研發(fā)高性能的標(biāo)準(zhǔn)和專用器件，滿足汽車空調(diào)中越來越苛刻的需求，并用優(yōu)異的產(chǎn)品不斷提高汽車空調(diào)系統(tǒng)的安全性、可靠性及燃油經(jīng)濟(jì)性。