如今的汽車(chē)正處于徹底變成電子系統的交界點(diǎn)，zui大限度減少了機械系統的采用，正在成為人們生活中zui大、zui昂貴的“數字化工具”。由于可用性和環(huán)保原因，以及提高內燃型、混合動(dòng)力型和全電動(dòng)型汽車(chē)行車(chē)**的需求，市場(chǎng)逐步減少了對汽油的依賴(lài)，這正是“數字化”轉變的驅動(dòng)力。
就電動(dòng)型汽車(chē)而言，想要司機心里更踏實(shí)，能否實(shí)時(shí)、準確監控汽車(chē)的功耗是關(guān)鍵。
監視和控制功耗的幾種方法
要監視電子系統的功耗，就需要連續測量電流和電壓。電壓可以直接用模數轉換器(ADC) 測量。如果 ADC 輸入范圍小于所監視的電壓，那么也許需要一個(gè)電阻分壓器 (圖 1)。]
為了測量電流，需要在電源通路中放置一個(gè)檢測電阻器，再測量其壓降。如圖 1 所示，跨導放大器將高壓側檢測電壓轉換成電流輸出，該電流流經(jīng)增益設定電阻器，以產(chǎn)生一個(gè)以地為基準并與負載電流成比例以及適合饋送給 ADC 的電壓。
為了zui大限度降低功耗，全標度檢測電壓限制為幾十毫伏。因此，放大器輸入失調需要低于 100μV。
為了計算功率，必須使用通過(guò) ADC 數字接口訪(fǎng)問(wèn) ADC 數據的微控制器或處理器，以實(shí)現電壓讀數和電流讀數相乘。要監視能耗，需要在一定時(shí)間內累計 (相加) 功率讀數。
為了開(kāi)關(guān)電源，一般在汽車(chē)電路中會(huì )使用機電繼電器。
為了節省空間，會(huì )用 N 溝道和 P 溝道 MOSFET 等固態(tài)開(kāi)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、可以統一采用再流焊工藝組裝的 PCB 設計。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(kāi)。與 N 溝道 MOSFET 相比，P 溝道 MOSFET 在導通電阻相同時(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 是應對大電流的zui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(kāi)關(guān)電路的實(shí)現。
常見(jiàn)的電源總線(xiàn)也需要針對短路和過(guò)載故障提供保護，這類(lèi)故障可能在任何板卡或模塊中出現。為了實(shí)現電路斷路器功能，可以比較圖 1 中放大器的輸出和一個(gè)過(guò)流門(mén)限，以斷開(kāi)圖 2 中的柵極驅動(dòng)器。這種方案取代了保險絲，因為保險絲反應速度慢、容限太寬且熔斷后需要更換。為了節省電路板空間，人們希望在開(kāi)關(guān)、保護和監視汽車(chē)電源總線(xiàn)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，提供能量遙測功能和 EEPROM (圖 3)，憑借創(chuàng ) 新性雙電流通路特色，滿(mǎn)足了大電流應用的需求。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，從而避免出現輸入電源干擾以及電流達到破壞性水平，因此可確保電源在 2.9V 至 33V 范圍內**接通和斷開(kāi)。LTC4282 位于通往電路板電源的入口，其準確度為 0.7% 的 12 位或 16 位 ADC 通過(guò)一個(gè) I2C/SMBus 數字接口報告電路板電壓、電流、功率和能耗。內部 EEPROM 為寄存器設置和故障記錄數據提供非易失性存儲，從而可在開(kāi)發(fā)過(guò)程中及現場(chǎng)運行時(shí)，加速調試和故障分析。
LTC4282 具準確度為 2% 的電流限制電路斷路器，zui大限度減少了過(guò)流設計，這在大功率時(shí)更加重要。在出現過(guò)流情況時(shí)，LTC4282 折返電流限制，以在可調超時(shí)時(shí)間內保持恒定 MOSFET 功耗。定時(shí)器到了定時(shí)時(shí)間后，電路斷路器斷開(kāi)故障模塊和公用電源總線(xiàn)的連接?？臻e模塊也可以斷開(kāi)與電源總線(xiàn)的連接以節省功率。能夠以數字方式配置的電路斷路器門(mén)限允許隨負載變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調節，方便了小電阻值檢測電阻器的選擇。所監視電氣參數的zui小值和zui大值都記錄下來(lái)，當超過(guò) 8 位可調門(mén)限時(shí)，就發(fā)出警示信號。為了防止給電路板造成災難性損壞，這些 MOSFET 受到連續監視，以發(fā)現異常情況，例如低柵極電壓和漏-源短路或大的壓差。
SOA 共享路徑
雖然 LTC4282 控制單個(gè)電源，可是它為負載電流提供了兩條平行的電流限制路徑。采用傳統單路控制器的大電流電路板使用多個(gè)并聯(lián)的 MOSFET 以降低導通電阻，但是所有這些 MOSFET 都需要具有大的**工作區 (SOA) 以安然承受過(guò)流故障，這是因為不能假設并聯(lián)的 MOSFET 在電流限制期間分擔電流。
另外，MOSFET 的選擇范圍在較高的電流水平上變窄，價(jià)格走高，而且 SOA 的水平跟不上 RDS(ON) 的下降。通過(guò)把電流分離到兩條**匹配的電流限制路徑之中，LTC4282 可確保兩組 MOSFET 即使在過(guò)載情況下也將均分電流。對于 100A 應用，每條路徑的設計電流限值為 50A，因而把 SOA 要求減低了一半，拓寬了 MOSFET 的選擇范圍，并降低了其成本。這被稱(chēng)為一種 “匹配” 或 “并聯(lián)” 配置，因為兩條路徑是采用相似的 MOSFET 和檢測電阻器設計的。
此外，LTC4282 的雙電流路徑還用于使 MOSFET SOA 要求與導通電阻脫鉤。大的 SOA 對于啟動(dòng)浪涌、電流限制和輸入電壓階躍等具有巨大應力的情況是很重要的。當 MOSFET 柵極完全接通時(shí)，低的導通電阻可降低正常操作期間的電壓降和功率損耗。不過(guò)，這些是存在沖突的要求，因為 MOSFET SOA 通常隨著(zhù)導通電阻的改善而變差。LTC4282 允許采用一條具有一個(gè)能處理應力情況之 MOSFET 的路徑，和另一條具有低導通電阻 MOSFET 的路徑。這被稱(chēng)為一種分級起動(dòng)配置。
一般來(lái)說(shuō)，在啟動(dòng)、電流限制和輸入電壓階躍期間應力處理路徑接通，而 RDS(ON) 路徑則保持關(guān)斷。RDS(ON) 路徑在正常操作過(guò)程中接通以旁路應力路徑，為負載電流提供一條低導通電阻路徑，從而減少電壓降和功率損耗。視啟動(dòng)時(shí) MOSFET 應力大小的不同，有兩種分級起動(dòng)配置，即低應力 (圖 4) 和高應力。
圖 4b：利用低應力分級起動(dòng)配置實(shí)現啟動(dòng)：GATE1 首先接通以對輸出進(jìn)行涓流充電 (具有一個(gè) 2A 的低浪涌電流水平)。GATE2 在 SOURCE (輸出) 變至高于電源良好門(mén)限時(shí)接通。
高應力分級起動(dòng)配置推薦用于 50A 以下的應用電流水平，而并聯(lián)和低應力分級起動(dòng)配置則推薦用于 50A 以上的應用。與單路徑設計相比，zui低的 MOSFET 成本由低應力分級起動(dòng)配置提供，代價(jià)是在瞬變情況下不間斷運行的能力受限，而且不能利用負載電流完成啟動(dòng)。并聯(lián)和高應力分級起動(dòng)配置可啟動(dòng)一個(gè)負載并提供計時(shí)周期較長(cháng)的故障定時(shí)器，可在持續時(shí)間較長(cháng)的過(guò)載條件和輸入電壓階躍情況下不間斷地運行。
結論
在過(guò)去 20 年，在動(dòng)力轉向、ABS 剎車(chē)、便利性、行車(chē)**、娛樂(lè )等功能的驅動(dòng)下，汽車(chē)中采用的電子系統一直在快速增加。隨著(zhù)汽車(chē)向全 面互聯(lián)和完全自主行駛的方向發(fā)展，電子系統的增加還會(huì )加速，這增大了對珍貴的電池功率的需求。仔細的功耗監視加上關(guān)閉空閑系統有望提高電池使用效率。通過(guò)提供電路板級電氣數據，LTC4282 電路斷路器減輕了測量每個(gè)子系統的功率和能耗的負擔，因此減輕了整個(gè)車(chē)輛功率和能耗的測量負擔。憑借其新穎和能夠以多種方式配置的雙電流通路，LTC4282 極大地方便了大電流千瓦級電路板的設計，允許在同一設計中既提供很大的 SOA，又提供很小的導通電阻。