在如今的汽車中，為了提高舒適度和行車體驗(yàn)而設(shè)計了座椅加熱、空調(diào)、導(dǎo)航、信息娛樂、行車安全等系統(tǒng)，從這些系統(tǒng)很容易理解在車中為各種功能供電的電子系統(tǒng)的好處?，F(xiàn)在我們很難想像僅僅 100 多年以前的景象，那時，在汽油動力汽車中，一個電子組件都沒有。在世紀(jì)交替時期的汽車開始有了手搖曲柄，前燈開始用乙炔氣照明，也可以用鈴聲向行人發(fā)出提示信息了。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、混合動力型和全電動型汽車行車安全的需求，市場逐步減少了對汽油的依賴，這正是“數(shù)字化”轉(zhuǎn)變的驅(qū)動力。
隨著越來越多的機(jī)械系統(tǒng)被電子系統(tǒng)取代，功耗以及怎樣監(jiān)視功耗變得越來越重要了。準(zhǔn)確監(jiān)視電動型汽車的功耗最終會讓司機(jī)心里更踏實(shí)。任何人只要駕駛了全電動型汽車，都有可能擔(dān)心行車距離問題，因?yàn)榈竭_(dá)目的地之前，汽車電池電量可能耗盡的問題無時不在?；旌想妱有推囓囍饔幸揽科蛣恿σ嫘旭偦丶业膬?yōu)勢，而電動型汽車只能在充電站充電，眼下充電站稀少，而且需要幾個小時，電池才能充好電。因此連續(xù)、準(zhǔn)確地監(jiān)視每個電子子系統(tǒng)的功耗是很重要的?；诒O(jiān)視所得的信息，還可以建議正在路上行駛的司機(jī)，節(jié)省電池電量以延長行駛距離。斷開空閑模塊與電源總線的連接可以進(jìn)一步節(jié)省功耗。監(jiān)視子系統(tǒng)的電流和功率，還可以揭示有關(guān)車輛長期性能的任何異常趨勢，預(yù)測故障以防故障發(fā)生，標(biāo)出需要發(fā)送給汽車修理店的服務(wù)請求。診斷系統(tǒng)也可以從功率和能量監(jiān)視中受益，通過故障記錄和無線數(shù)據(jù)訪問，可以快速調(diào)試，并減少修理費(fèi)用和宕機(jī)時間。
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)測量電流和電壓。電壓可以直接用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 測量。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檢測電阻器，再測量其壓降。如圖 1 所示，跨導(dǎo)放大器將高壓側(cè)檢測電壓轉(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。為了計算功率，必須使用通過 ADC 數(shù)字接口訪問 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，需要在一定時間內(nèi)累計 (相加) 功率讀數(shù)。
圖 1：測量電源軌上的輸入電壓和負(fù)載電流 (檢測電壓)
為了開關(guān)電源，一般在汽車電路中會使用機(jī)電繼電器。為了節(jié)省空間，會用 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。P 溝道 MOSFET 通過拉低其柵極電平而接通，通過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短路和過載故障提供保護(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過流門限，以斷開圖 2 中的柵極驅(qū)動器。這種方案取代了保險絲，因?yàn)楸ｋU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時，采用集成式解決方案。
集成式電源控制與遙測解決方案
