促進節(jié)能的汽車空調(diào)自動控制方案

　　空調(diào)是滿足汽車舒適性要求不可或缺的配置，用作車內(nèi)制冷、取暖、通風換氣，而且舒適的駕乘環(huán)境也關乎行車安全。而自動空調(diào)比傳統(tǒng)的手動空調(diào)更方便，可根據(jù)用戶設定的溫度自動檢測和調(diào)節(jié)，讓車內(nèi)的溫度和濕度處于設定范圍之內(nèi)。而且，自動空調(diào)還有助于節(jié)能減排，提升燃油經(jīng)濟性。

　　汽車空調(diào)典型的供電結(jié)構(gòu)

　　一般來講，汽車電壓分為24 V系統(tǒng)和12 V系統(tǒng)：24 V電源可采用經(jīng)大功率TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）），然后由低壓降穩(wěn)壓器（LDO）轉(zhuǎn)至5 V，同時為電機驅(qū)動器供電；也可采用經(jīng)成本較高的DC-DC降壓器降至12 V，然后由LDO轉(zhuǎn)至5 V，同時為電機驅(qū)動器供電；12 V電源經(jīng)LDO為單片機、傳感器等元件供電，同時直接為直流/步進電機等電機驅(qū)動器供電。

　　圖1. 汽車空調(diào)典型的供電結(jié)構(gòu)

　　如果采用24 V供電系統(tǒng)，需要考慮高耐壓產(chǎn)品，同時兼顧熱管理、電源能效和成本控制等問題；如果采用12 V供電系統(tǒng)，則需考慮成本、靜態(tài)電流（Iq）及封裝等因素。

　　安森美半導體為汽車空調(diào)系統(tǒng)提供豐富陣容的LDO，其中標準靜態(tài)功耗系列（Iq 》 100 uA）如NCV4264-2、NCV4266-2，低靜態(tài)功耗系列（Iq 《 100 uA）如NCV8501、NCV8502，非常低靜態(tài)功耗系列（Iq 《 50 uA）如NCV8664、NCV8660，超低靜態(tài)功耗系列（Iq 《 33 uA）如NCV8768、NCV8769，滿足設計的不同需求。

　　安森美半導體還提供為傳感器供電的電壓跟隨器NCV8184，具可調(diào)節(jié)的緩沖輸出電壓，密切匹配參考輸入電壓（精度達±3 mV）。該器件的輸出電流能力為70 mA，靜態(tài)電流僅為70 uA，當電流為50 mA時，典型壓降僅為0.35 V，采用SOIC-8封裝。

　　驅(qū)動

　　1. 風門執(zhí)行器驅(qū)動

　　直流電機、單極性步進電機、雙極性步進電機為汽車空調(diào)風門執(zhí)行器的三種典型結(jié)構(gòu)。直流電機風門執(zhí)行器中包括一個直流電機和一個位置傳感器，需要一個完整的 H橋（由2個高邊開關和2個低邊開關組成 ），來控制電機的正反轉(zhuǎn)，通過內(nèi)部自帶的位置傳感器，可以實時的監(jiān)控風門的位置，實現(xiàn)閉環(huán)控制；單極性步進電機的控制只需要4路高邊或者4路低邊驅(qū)動，由于步進電機本身的特性，可以通過計數(shù)步進次數(shù)來知道風門的位置；雙極性步進電機只需要兩組線圈，其驅(qū)動需要2個H橋（由4個高邊開關和4個低邊開關組成）來控制兩個線圈，與單極性步進電機類似，可以通過計數(shù)步進數(shù)來得知風門目前的位置。

　　圖2. 風門執(zhí)行器電機結(jié)構(gòu)及驅(qū)動類型

　　直流電機風門執(zhí)行器的正常工作電流約100 mA，堵轉(zhuǎn)電流小于450 mA，需要H橋驅(qū)動來改變運行方向，并提供故障診斷報告及足夠的保護功能。安森美半導體的NCV77XX系列完全滿足上述需求，能以正向、反向、制動及高阻抗狀態(tài)工作。以六路半橋驅(qū)動器NCV7718為例，6路PMOS作為高邊驅(qū)動，6路NMOS作為低邊驅(qū)動，高低邊在芯片內(nèi)部連接，以H半橋作為輸出，提供0.55 A持續(xù)驅(qū)動電流，內(nèi)部集成續(xù)流二極管，導通電阻典型值和最大值分別為1 ?和2.25 ?，通過16位SPI接口控制，低功耗（最大消耗電流僅為5 Ua ），提供驅(qū)動狀態(tài)、低負載保護、過流、過溫和溫度警告等診斷報告，并集成一系列保護特性如過壓/欠壓保護、過流關斷、過溫保護等，采用SSOP-24 /SSOP24-EP封裝。另外，根據(jù)不同的輸出需求，可選擇安森美半導體的8路半橋驅(qū)動器NCV7719或10路半橋驅(qū)動器NCV7720。安森美半導體還提供帶獨立診斷功能的6路半橋驅(qū)動器NCV7728，該器件峰值電流為0.55 A，導通電阻典型值和最大值分別為1 ?和2?，接口兼容3.3 V/5 V單片機，在睡眠模式下提供超低靜態(tài)功耗，通過16位SPI接口控制（波特率為5 MHz，兼容菊花鏈通信），集成續(xù)流保護、過流保護、開路檢測、過熱關斷及過溫報警等保護特性。

　　圖3. 帶獨立診斷功能的6路半橋驅(qū)動器NCV7728典型應用示例

　　步進電機風門執(zhí)行器中，每個電機需要4路驅(qū)動，最大工作電流小于300 mA，可直接控制或通過LIN總線遠程控制。安森美半導體用于汽車空調(diào)的單極性步進電機驅(qū)動器有NCV7608和NCV7240。NCV7608是8路高低邊可配置驅(qū)動器，每通道可提供 350 mA驅(qū)動電流，提供完善的保護功能，采用SOIC28封裝，通過AEC-Q101認證；NCV7420是8路低邊驅(qū)動器，每通道可提供600 mA驅(qū)動電流，通過16位SPI接口控制，提供開路診斷、過載保護、過溫保護等完善的診斷和保護功能，采用SSOP24封裝，通過AEC-Q100認證。安森美半導體用于汽車空調(diào)的雙極性步進電機驅(qū)動器有AMIS30730和NCV70501，這兩款器件的驅(qū)動電流均為300 mA。AMIS30730采用LIN接口，內(nèi)含MCU、ROM、RAM和EEPROM；而NCV70501采用SPI接口。

　　2. 高/低邊驅(qū)動

　　SmartFET用于外部負載 （例如在中央電器盒中的繼電器）的控制，可用作高邊或低邊驅(qū)動，這些驅(qū)動自身需要額外的保護功能如短路保護、熱關斷、過壓保護、邏輯電平控制和ESD保護等。安森美半導體的 NCV8452是一款高邊SmartFET，該器件的導通電阻為200 m?，過壓保護等級為41 V，輸出電流限制值為1 A，集成了豐富的保護特性，如短路保護、過載保護、過溫關斷及自動重啟、內(nèi)部鉗位二極管過壓保護、ESD保護及邏輯電平控制等，結(jié)溫-40~150 ℃。安森美半導體用作高/低邊智能驅(qū)動的器件還有NCV8440、NCV8450、NCV8401/2/3/5/6，提供不同的鉗位電壓、導通電阻、輸出電流等參數(shù)。

　　3. 鼓風機驅(qū)動

　　鼓風機分為兩大類：有刷直流電機和無刷直流電機（BLDC）。有刷直流電機最大工作電流為30 A，采用PWM控制，含功率MOSFET；而BLDC電機需要用到預驅(qū)動器、功率MOSFET。安森美半導體提供如表1所示的用于有刷直流電機和BLDC驅(qū)動的N溝道功率MOSFET，以及用于 BLDC電機的三相預驅(qū)動器，如LV8907UW及MC33033/5等。為幫助工程師簡化設計、節(jié)省空間，安森美半導體還提供集成預驅(qū)動器和功率 MOSFET的智能功率模塊STK984-xxx系列，內(nèi)部集成電機驅(qū)動算法器、6個MOSFET及驅(qū)動電路，通過PWM或電壓調(diào)速，提供OTP寄存器用于電機參數(shù)配置，支持模塊化進行無PCB設計，并集成過流保護、過溫保護、過壓/欠壓保護等完善的保護特性。

　　表1. 用于鼓風機驅(qū)動的N溝道功率MOSFET

　　圖4. 智能功率模塊STK 984-XXX框圖

　　4. LED驅(qū)動——CCR

　　安森美半導體的恒流穩(wěn)流器 （CCR）用于驅(qū)動汽車空調(diào)系統(tǒng)中的LED，這類器件內(nèi)置LED熱保護，可替代低成本LDO，降低系統(tǒng)成本，由于沒有EMI（電磁干擾），適用于低噪聲系統(tǒng)，在寬輸入電壓范圍內(nèi)提供恒定電流，可抑制由于電壓波動引起的LED亮度變化 。該系列器件包括兩端固定輸出版本及三端可調(diào)節(jié)輸出版本，如NSI50010YT1G、NSI45015WT1G、NSI45020T1G、 NSI45020AT1G及NSI45020JZT1G等。

　　總線收發(fā)器

　　LIN/CAN總線用于實現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。針對這類應用，安森美半導體提供LIN/CAN收發(fā)器，如NCV7321、NCV7342，這些器件都符合IEC61000-4-2標準，其中NCV7342的系統(tǒng)ESD保護能力高于15 kV，短路電流不超過100 mA，提供優(yōu)異的電磁兼容（EMC）性能，甚至無需共模扼流圈。

　　系統(tǒng)基礎芯片

　　系統(tǒng)基礎芯片（SBC）是指集成車載網(wǎng)絡（如LIN、CAN、FLEXRAY）、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（如高邊、低邊、LED等）的系統(tǒng)化芯片方案。安森美半導體用于汽車空調(diào)的 SBC如NCV7420/5/8，是集成LDO的LIN收發(fā)器，輸出電流分別為50 mA、150 mA、70 mA。

　　結(jié)語

　　汽車自動空調(diào)帶來的舒適和節(jié)能是消費者及汽車設計工程師所關注的，安森美半導體應用于汽車空調(diào)的豐富產(chǎn)品陣容包括電源供電、電機驅(qū)動、SmartFET、分立器件等，經(jīng)過嚴格的汽車級產(chǎn)品認證，具備高性能和高可靠性，有助于實現(xiàn)汽車空調(diào)系統(tǒng)的高效節(jié)能，為消費者帶來舒適的駕乘體驗。