汽車電子需要創(chuàng)新的低功耗技術(shù)

汽車對標(biāo)準(zhǔn)14V電氣系統(tǒng)設(shè)備的需求將在42V電氣系統(tǒng)出現(xiàn)后有所改變。對于汽車電子的系統(tǒng)設(shè)計師來說，考慮到向42V電氣系統(tǒng)過渡緩慢，目前他們正在對電子系統(tǒng)的功耗進(jìn)行優(yōu)化。
在1988年，德國奔馳汽車公司開始為所設(shè)計的豪華轎車進(jìn)行42V電氣系統(tǒng)的初步構(gòu)想，但直到1995年，美國麻省理工學(xué)院的42V技術(shù)組織才正式形成。且由于成本方面的影響，42V電氣系統(tǒng)的進(jìn)程非常緩慢。所以對于汽車電子系統(tǒng)設(shè)計師來說，在42V電氣標(biāo)準(zhǔn)未正式出臺以前，所面臨的最大挑戰(zhàn)是在相同的電池電源條件下，找到新的方法來保證汽車電子設(shè)備功能的不斷增加。
在現(xiàn)代汽車中，典型的電子模塊和系統(tǒng)包括發(fā)動機控制模塊，它又包括電子閥和流量閥的控制；傳動系統(tǒng)控制模塊；發(fā)電機以及啟動電機的控制模塊；安全氣囊控制模塊；ABS系統(tǒng)；雨刷控制模塊；車窗與天窗控制模塊；GPS系統(tǒng)，包括指南針和導(dǎo)航計算機；溫度和濕度控制模塊；自動調(diào)焦鏡控制模塊；懸架控制模塊；LED燈光控制模塊；防碰撞控制模塊；自動駕駛控制模塊；自動制動控制模塊等。由于這些新型系統(tǒng)在車輛應(yīng)用中的增加，導(dǎo)致對電源負(fù)載以每年100W的速度增加，且對于象發(fā)動機閥門和執(zhí)行器這樣功耗大的機電一體化裝置來說，功率可能高達(dá)1kW，所以很可能會導(dǎo)致電源系統(tǒng)很快耗盡。有三種主要方法可以優(yōu)化汽車電子設(shè)備的功能而不增加功耗。提高系統(tǒng)的工作效率、增加電源系統(tǒng)的工作效率、系統(tǒng)不用時保持關(guān)閉狀態(tài)。例如，對于啟動發(fā)電機來說，利用汽車停止的幾秒時間來關(guān)閉發(fā)動機的節(jié)氣閥，并在駕駛員碰到腳踏板時重新啟動，可以增加工作的效率；同時，可以控制汽車的燃油泵，使其和駕駛員的要求相匹配。這些都是通過系統(tǒng)級的方法來保證系統(tǒng)高效的運行。
開關(guān)電源取代線性電壓源可以大大提高系統(tǒng)的工作效率。但是，由于開關(guān)電源的較高成本(增加了電感、變壓器、二極管、濾波器以及通用IC)，以及潛在的EMI問題，汽車工程師不太愿意采用開關(guān)電源。
開關(guān)電源技術(shù)將可以應(yīng)用在14/42V結(jié)合的電氣系統(tǒng)中，但是目前的條件還不成熟。盡管開關(guān)電源的線性電源具有較高的工作效率，但是當(dāng)把42V的電壓降低到“分散的”線性電源可使用的低電壓時，會產(chǎn)生很多的損失。例如，一個效率為85％的10W開關(guān)電源，在轉(zhuǎn)換時有1.5W的損失。當(dāng)增加的管芯溫度成為關(guān)鍵因素時，14V系統(tǒng)就不會再用線性調(diào)節(jié)器了。從技術(shù)的發(fā)展來說，汽車電子落后于計算機發(fā)展的步伐。例如，在汽車電子中仍然廣泛采用5V微處理器。對于一個5V的調(diào)節(jié)器來說，當(dāng)從14V的電池中吸收100mA電流時，消耗的功率為0.9W，而當(dāng)汽車電子產(chǎn)品的電壓降低時，其功耗將會大大增加。如果5V調(diào)節(jié)器的電壓降到1.8V(電流仍然為100mA)，那么消耗的功率會增加35％，達(dá)到1.22W。為了保證工作的可靠性，應(yīng)當(dāng)降低系統(tǒng)的工作電流，或者設(shè)計更低熱阻的封裝，以使調(diào)節(jié)器的溫度低于150℃。

關(guān)閉電子設(shè)備
在應(yīng)用過程中，要關(guān)閉電子設(shè)備并不是那么容易。很明顯，需要在汽車不運行以及所選的電子設(shè)備不工作的狀態(tài)下關(guān)閉。而由于所有新型的控制模塊都需要汲取電池的電流，所以，當(dāng)汽車處于怠速狀態(tài)下，不關(guān)閉控制模塊將會導(dǎo)致電池耗盡。
以前的汽車IC設(shè)計很少考慮所汲取的電流，所以經(jīng)濟(jì)型的設(shè)計應(yīng)主要考慮在汽車環(huán)境下可靠性工作的能力，為了降低工作電流，調(diào)節(jié)器主要采用了“使能”功能，但是，現(xiàn)在線性調(diào)節(jié)器的設(shè)計更多的是為了滿足100mA的睡眠模式電流。當(dāng)連接到電池上的模塊不在激活狀態(tài)時，所汲取的電流為100mA。對于本身吸收150mA的調(diào)節(jié)器來說，模塊所汲取的電流必須低于100mA。
一旦電子系統(tǒng)被集成到汽車模塊中，它的使用周期將達(dá)5到10年。

最新調(diào)節(jié)器
目前市場上出現(xiàn)了一種新型線性調(diào)節(jié)器，它可以把睡眠模式下的150mA電流降低到1mA以下。而且發(fā)展趨勢表明，降低睡眠模式的電流是降低功耗的主要途徑，但是成本如何呢？拿可以降到1mA的調(diào)節(jié)器來說，對管芯尺寸的影響可能高達(dá)10％，而管芯的尺寸直接和成本有關(guān)。但是對于汽車設(shè)計師來說，為了得到汽車電子設(shè)備的最優(yōu)性能，這是目前可行的發(fā)展方向。降低電子設(shè)備中的負(fù)載需求也日益凸現(xiàn)出來，由于車輛大多采用多元控制的方式，如采用低速或者高速的CAN網(wǎng)絡(luò)以及較新的LIN網(wǎng)絡(luò)，總線系統(tǒng)使得汽車廠家可以減少線的使用量，以降低汽車的重量，有效的控制可以保證在模塊不使用時處于關(guān)閉狀態(tài)。
在代碼的執(zhí)行驗證、外部頻率監(jiān)視以及降低靜態(tài)電流這些場合，都可以采用看門狗調(diào)節(jié)器(見圖1)。一般情況下，看門狗發(fā)送喚醒信號給微處理器，然后微處理器檢查開關(guān)輸入的狀態(tài)，并發(fā)回一個信號給看門狗調(diào)節(jié)器，最后返回睡眠模式，從而節(jié)省能量的消耗。喚醒信號的波形是一個連續(xù)的信號，以喚醒睡眠狀態(tài)的微處理器，其工作頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于微處理器的工作頻率。所以一旦微處理器被喚醒，它將決定所需要執(zhí)行的任務(wù)，然后返回到睡眠模式。微處理器發(fā)送信號給調(diào)節(jié)器的看門狗輸入引腳，以確定代碼執(zhí)行以及外部監(jiān)視。在每個喚醒事件過程中或者復(fù)位線變低時，看門狗的輸入引腳都必須接收信號。■ (紅林譯)