如今的汽車正處于徹底變成電子系統(tǒng)的交界點(diǎn)，最大限度減少了機(jī)械系統(tǒng)的采用，正在成為人們生活中最大、最昂貴的“數(shù)字化工具”。由于可用性和環(huán)保原因，以及提高內(nèi)燃型、混合動(dòng)力型和全電動(dòng)型汽車行車安全的需求，市場(chǎng)逐步減少了對(duì)汽油的依賴，這正是“數(shù)字化”轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力。

就電動(dòng)型汽車而言，想要司機(jī)心里更踏實(shí)，能否實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)控汽車的功耗是關(guān)鍵。

監(jiān)視和控制功耗的幾種方法

要監(jiān)視電子系統(tǒng)的功耗，就需要連續(xù)測(cè)量電流和電壓。電壓可以直接用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 測(cè)量。如果 ADC 輸入范圍小于所監(jiān)視的電壓，那么也許需要一個(gè)電阻分壓器 (圖 1)。

圖 1：測(cè)量電源軌上的輸入電壓和負(fù)載電流 (檢測(cè)電壓)

為了測(cè)量電流，需要在電源通路中放置一個(gè)檢測(cè)電阻器，再測(cè)量其壓降。如圖 1 所示，跨導(dǎo)放大器將高壓側(cè)檢測(cè)電壓轉(zhuǎn)換成電流輸出，該電流流經(jīng)增益設(shè)定電阻器，以產(chǎn)生一個(gè)以地為基準(zhǔn)并與負(fù)載電流成比例以及適合饋送給 ADC 的電壓。

為了最大限度降低功耗，全標(biāo)度檢測(cè)電壓限制為幾十毫伏。因此，放大器輸入失調(diào)需要低于 100μV。

為了計(jì)算功率，必須使用通過(guò) ADC 數(shù)字接口訪問(wèn) ADC 數(shù)據(jù)的微控制器或處理器，以實(shí)現(xiàn)電壓讀數(shù)和電流讀數(shù)相乘。要監(jiān)視能耗，需要在一定時(shí)間內(nèi)累計(jì) (相加) 功率讀數(shù)。

為了開關(guān)電源，一般在汽車電路中會(huì)使用機(jī)電繼電器。

為了節(jié)省空間，會(huì)用 N 溝道和 P 溝道 MOSFET 等固態(tài)開關(guān)取代繼電器，從而產(chǎn)生所有組件都在同一塊電路板上、可以統(tǒng)一采用再流焊工藝組裝的 PCB 設(shè)計(jì)。P 溝道 MOSFET 通過(guò)拉低其柵極電平而接通，通過(guò)將柵極連接至輸入電壓而斷開。與 N 溝道 MOSFET 相比，P 溝道 MOSFET 在導(dǎo)通電阻相同時(shí)成本更高，而且其選擇范圍很窄，限于較大電流值 (高于 10A) 情況。N 溝道 MOSFET 是應(yīng)對(duì)大電流的最佳選擇，但是需要充電泵，以提高柵極電壓，使其高于輸入電壓。例如，12V 輸入需要 22V 柵極電壓，即 MOSFET 柵極要高出輸入 10V。圖 2 顯示了一個(gè)電源開關(guān)電路的實(shí)現(xiàn)。

圖 2：用 N 溝道 MOSFET 實(shí)現(xiàn)電源軌的接通 / 斷開

常見的電源總線也需要針對(duì)短路和過(guò)載故障提供保護(hù)，這類故障可能在任何板卡或模塊中出現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)電路斷路器功能，可以比較圖 1 中放大器的輸出和一個(gè)過(guò)流門限，以斷開圖 2 中的柵極驅(qū)動(dòng)器。這種方案取代了保險(xiǎn)絲，因?yàn)楸ｋU(xiǎn)絲反應(yīng)速度慢、容限太寬且熔斷后需要更換。為了節(jié)省電路板空間，人們希望在開關(guān)、保護(hù)和監(jiān)視汽車電源總線中的功率流動(dòng)時(shí)，采用集成式解決方案。

集成式電源控制與遙測(cè)解決方案

LTC4282 是一款可熱插拔的控制器和電路斷路器，提供能量遙測(cè)功能和 EEPROM (圖 3)，憑借創(chuàng)新性雙電流通路特色，滿足了大電流應(yīng)用的需求。該控制器通過(guò)控制外部 N 溝道 MOSFET，可平滑地給大容量電容器加電，從而避免出現(xiàn)輸入電源干擾以及電流達(dá)到破壞性水平，因此可確保電源在 2.9V 至 33V 范圍內(nèi)安全接通和斷開。LTC4282 位于通往電路板電源的入口，其準(zhǔn)確度為 0.7% 的 12 位或 16 位 ADC 通過(guò)一個(gè) I2C/SMBus 數(shù)字接口報(bào)告電路板電壓、電流、功率和能耗。內(nèi)部 EEPROM 為寄存器設(shè)置和故障記錄數(shù)據(jù)提供非易失性存儲(chǔ)，從而可在開發(fā)過(guò)程中及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，加速調(diào)試和故障分析。