安森美半导体用于汽车空调系统的高能效方案

第一篇：安森美半导体用于汽车空调系统的高能效方案

安森美半导体用于汽车空调系统的高能效方案

来源：大比特商务网

摘要：汽车空调系统是实现对车厢内空气进行制冷、加热、换气和空气净化的装置，可以为乘车人员提供舒适的乘车环境，降低驾驶员的疲劳强度，提高行车安全。今天，空调装置已成为衡量汽车功能是否齐全的标志之一。安森美半导体一直致力于满足汽车空调中越来越苛刻的需求，以优秀的产品不断提高汽车空调系统的安全性、可靠性及燃油经济性。

关键字：汽车空调系统,安森美半导体, 汽车空调系统结构及供电要求

现代汽车空调系统由制冷系统、供暖系统、通风和空气净化装置及控制系统等组成。图1中的绿色部分是安森美半导体为汽车空调系统提供的各种器件。

图1：安森美半导体为汽车空调系统提供的器件(绿色方框)

汽车空调系统典型的供电架构是为微控制器(MCU，亦俗称“单片机”)、传感器及其他板载控制芯片、LED供电。通常，单片机消耗电流一般小于50mA;风门位置传感器、光线传感器、温度传感器等需要的电流也小于50 mA;板载控制芯片，如A/D芯片、总线并转串或运放等也是这样;作为背光和按钮显示的LED的电流消耗取决于按钮的数量及整体亮度，通常与单片机相关。所以，整个系统的电流一般在150mA以内。V系统电源供电需要考虑高耐压产品，满足热管理要求，以及电源效率和成本控制等问题。其结构有两种，一种是24 V电源经大功率TVS(瞬态电压抑制器)，由低压降稳压器(LDO)转换为5 V，同时为电机驱动供电，TVS可用来防止易受攻击的电路受到电气过应力及快速过电压的影响;另一种是24 V电源经成本较高的DC/DC降压到12 V，再经LDO转换为5 V并为电机驱动供电。V系统电源供电经LDO为MCU、传感器及其他器件供电，同时直接为DC电机和步进电机等电机驱动供电。12 V系统要考虑的是系统成本、低静态电流(Iq)和封装。适用于汽车空调的LDO包括NCV4264-

2、NCV8660B、NCV8664、NCV8669、NCV4269A、NCV4279A、NCV4299、NCV4299AD、NCV4266、NCV8501、NCV8502、NCV2931、NCV8768和NCV8769。

安森美半导体还提供为传感器供电、具有完善保护功能的电压跟随器，如NCV8184。这是一款单片LDO跟随稳压器，提供可调节的缓冲输出电压，可密切匹配参考输入电压(精度可达±3 mV)。该器件的输出电流能力(Iout)为70 mA，在50 mA电流时的典型压降仅为0.35 V;静态电流仅为70 μA，并有使能引脚。

图2：电压跟随器框图

丰富的汽车空调系统驱动方案

汽车空调系统驱动的对象主要有风门执行器、智能高低边、鼓风机和LED。

1.风门执行器驱动

风门执行器驱动的拓扑结构因不同整车厂的配置需求而异，有直流电机、单极性步进电机及双极性步进电机几种。直流电机集成了位置传感器，将风门位置信号反馈给单片机。为控制直流电机的正转或反转，需要使用2个高边(HS)开关及2个低边(LS)开关组成全桥电路。通常，这些高边或低边开关已经集成各种完善的保护，如过压保护、过载保护及过温保护等。单极性步进电机需使用4个低边开关，而双极性步进电机需使用4个高边开关和4个低边开关来驱动。

直流电机风门执行器的正常工作电流约为100 mA，最大堵转电流小于450 mA;另外需要H桥驱动来改变运行方向，以及故障诊断报告功能和芯片内保护功能。安森美半导体的NCV77xx系列器件(如NCV7718)可用于驱动直流电机风门执行器，其中NCV7718是一款6路半桥驱动器，芯片内部连接了高低边，以H半桥作为输出。

该器件以6路PMOS作为高边驱动，6路NMOS作为低边驱动，能够提供0.55 A持续驱动电流，内部集成了续流二极管。NCV7718最大功耗仅为5 μA，能以正向、反向、制动及高阻态工作，通过16位SPI接口控制，带有专门设计用于汽车及工业运行控制应用的保护功能，如欠压及过压锁定、过流关断、过温保护、诊断、驱动状态、低负载保护及故障报告等。

图3：NCV7718 6路半桥驱动

安森美半导体还提供用于汽车空调的单极性及双极性步进电机驱动器。单极性步进电机驱动器包括NCV7608和NCV7240等。NCV7608是8路高低边可配置驱动器，每通道能提供350 mA驱动电流及完善的保护功能;NCV7240是8路低边驱动器，每通道能提供600 mA驱动电流，可采用16位SPI接口控制，具有完善的保护功能(如开路诊断、过载保护及过温保护等)。这两款器件分别采用SOIC28和SSOP24封装。

图4：汽车空调双极性步进电机驱动器AMIS30730 双极性步进电机驱动器包括AMIS-30730和NCV70501等。AMIS-30730是LIN接口单芯片智能步进电机驱动器方案，驱动电流为300 mA，内部包含MCU、ROM、RAM、EEPROM。NCV70501是SPI接口步进电机驱动器，驱动电流为300 mA，可以实现进气风门的低噪声设计，可以通过设置内部寄存器来改变电机的方向和步数等。

图5：汽车空调双极性步进电机驱动器NCV70501 2.智能高低边驱动

SmartFET是用于外部负载(如中央电器盒中的继电器)的高/低边驱动。这些驱动自身需要额外的保护功能，如短路保护、热关断(有或者没有自动恢复功能)、过压保护、逻辑电平控制(单片机直接控制)和ESD保护等。安森美半导体的高/低边智能驱动器件有NCV8440、NCV8440、NCV8401、NCV8402、NCV8403、NCV8406等低边驱动器，以及NCV8450、NCV8452等高边驱动器。这些器件是带保护的MOSFET，在其基础上增加了多种保护功能及高边或低边驱动等。例如，NCV8452高边SmartFET，器件的导通阻抗为200 mΩ，过压保护等级为41 V，输出电流限制值为1 A，集成了丰富的保护特性，如短路保护、过载保护、过温关断及自动重启、内部钳位二极管过压保护、ESD保护及逻辑电平控制等。

图6：NCV8452高边SmartFET框图

3.鼓风机驱动

鼓风机驱动包含有刷直流电机及无刷直流电机(BLDC)等类型。有刷直流电机采用PWM控制，最大工作电流为30 A，需要功率MOSFET。无刷直流电机需要用到预驱动器及功率MOSFET。安森美半导体提供用于无刷直流电机的三相预驱动器，如LV8901、LV8902及MC33033/5等。安森美半导体还提供用于鼓风机驱动的一系列功率MOSFET，如NVB5860N/NL、NVMFS5830NL、NVMFS5832NL、NVB5404N、NVB5405N、NVD5802及NVD5890N等。

图7：三相电机预驱动

4.LED驱动

安森美半导体采用恒流稳流器(CCR)的LED驱动器可用来驱动汽车空调应用中的LED。其中包括适合低噪声系统的双端可调节输出版本及三端可调节输出版本。这些器件内置LED热保护，能够替代低成本LDO，可抑制由于电压波动引起的LED亮度变化，有助于缩短设计和认证时间。这些低电流CCR LED驱动器包括NSI50010YT1G、NSI45015WT1G、NSI45020T1G、NSI45020AT1G及NSI45020JZT1G等。

车载总线收发器及系统基础芯片

汽车中使用的分散、分布式系统需要通过LIN、CAN及FlexRay™ 等行业标准接口进行互连。安森美半导体提供符合这些标准接口技术的车载总线收发器，如用于汽车空调的NCV7321 LIN收发器。该器件的最高通信速率为20 kbps，具备高压模拟和数字功能，符合欧洲LIN物理层规范2.1版及美国SAE J2602-2规范，符合OEM要求，同时具有出色的电磁兼容(EMC)性能，系统ESD保护能力高达13 kV。

在系统基础芯片(SBC)方面，安森美半导体提供多种集成了车载网络、电源(如线性稳压器、DC-DC稳压器)、监控(如看门狗、SPI、状态、中断)及I/O的器件，如NCV7420和NCV7425，两款器件都集成了LIN收发器及3.3 V或5 V稳压器，输出电流能力分别为50 mA及150 mA。

汽车空调是安森美半导体在汽车应用中所关注的核心应用之一。安森美半导体提供一系列应用于汽车空调应用的产品，包括电源供电、电机驱动、SmartFET和分立器件。这些器件均通过了汽车级产品认证，有助于汽车整车厂商满足汽车空调中越来越苛刻的需求，不断提高汽车空调系统的安全性可靠性及燃油经济性。

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第二篇：适用于高能效多灯串系统的完整街道照明平台的数字LED驱动器解决方案

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LED厂商建议通过控制正向电流使发光二极管保持额定的光通量和特定的色温。鉴于LED的亮度与正向电流值成正比，这个控制方法是最佳的LED电源解决方案。

此外，LED的正向电压与输出功率受到结温的严格限制，特别是大功率LED更是如此;结温是众所周知的影响质量和使用寿命的关键参数。

准确地说，随着结温升高，正向电压与输出功率会逐渐降低，热漂移会导致临界电流升高。

为了通过降低正向电压解决热漂移问题，提高系统总体能效，通过PWM和/或模拟调光技术控制亮度，获得防失效管理和过热控制功能，照明系统对具有特定控制功能的LED驱动器的需求不断提高。如果给建筑照明和街道照明等应用增加价值，还需要在LED驱动器内增加遥控功能。

因为大功率因数交流-直流变流器能够把电网交流电压转换成更高的输入直流电压，所以普通照明LED驱动器通常采用标准降压拓扑，这种驱动器基于集成一个功率开关的模拟单片解决方案，最大输出电流达到 350mA。如果电压高于50/60V，因为芯片技术限制，单片解决方案将无法胜任。

很多照明平台需要那些使用多个驱动器的多路输出系统，而这将会增加系统架构和版图设计的复杂性，结果导致设计成本增加。

标准解决方案的主要应用限制与基于并联电阻器和内部比较器的电流检测方法有关。比较器把从灵敏电阻器回馈的电流与内部参考电流值进行比较，然后产生一个用于控制栅极驱动电路的输出信号。

这个常用的模拟控制方法实现了对峰流的控制，因为LED光色漂移在很多要求严格的照明应用领域是不准许的，所以这种方法并不是高品质照明的最佳解决方案。

创新的LED驱动器

意法半导体提出一个能够满足照明要求的高成本效益的街道照明平台解决方案。该方案具有优异的性能、超高能效(全负荷时总体能效大于91%)、完整的防失效管理(过流保护、过压保护和短路保护)功能。

该平台由两大部分组成：电源部分与电流控制器。其中，电流控制器是一个数字电流控制器。

电源电路的最大输出功率达到130W(48V，2.7A)，该电路由两级电路组成：基于L6562AT的前端功率因数校正器(PFC)和基于L6599AT的LLC谐振转换器。

这个设计的特点如下：

扩展的欧洲输入交流电压范围(177 ÷ 277 VAC – 频率 45 ÷ 55 Hz)超高能效(全负载是93.85%)免除了对散热器的需求无电解电容器，长久可靠符合EN61000-3-2 Class-C(交流谐波)、EN55022-Class-B(EMI)和EN60950的双绝缘(SELV)标准电流控制器的核心是采用一个以地线为参考的电流检测方法，这个算法是由一个通用微控制器实现的，能够调整反向降压转换器的输出电流。该解决方案无需差分放大器或误差放大器，更不需要网络滤波器以及其它的外部无源器件。

该反向降压拓扑的模式为连续导通模式(CCM)，选择CCM模式的原因是反向降压拓扑的功率开关与地线相连，而不是像标准降压拓扑那样连接上桥臂开关。因此，在这个解决方案中，可直接使用微控制器驱动东营变频器维修 东营变频器 变频器维修

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一个逻辑电平(5V)或超逻辑电平(3.3V)功率开关，无需任何栅极驱动级，这使总体解决方案变得简单且成本低廉。图1所示是完整的照明解决方案。

图1 LED街道照明解决方案

灵活性是这个解决方案的研发目的，从低功率、低压到大功率、高压，该解决方案可单独驱动最多16个输出通道。意法半导体拥有街道照明专用产品组合，因此，该解决方案让设计人员只使用一个拓扑就能覆盖各种不同的LED驱动系统。

均流检测:专用的微控制器外设电流控制是这个平台的与众不同之处。该解决方案利用微控制器外设(高分辨率定时器和快速模数转换器)来管理电流控制过程。

触发器/时钟控制器是定时器架构的元件之一，模数转换器触发电路是触发器/时钟控制器内置的一个特殊功能，通过TRGO信号可以管理模数转换器的四个触发信源事件(Reset, Enable, Up/Down, Count)。

在这个架构内有一个与PWM周期中心对准的三角形载波，当达到最大计算值时，该三角形载波利用TRGO信号触发模数转换器，这个最大值正好是导通时间(Ton/2)波形周期的中间。

如果能够保证连续导通模式运行，这个触发操作与随后的模数转换过程将会计算出均流值，而不是在电流增大期间通过软件处理过程来估算均流，如图2b所示。

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图2 a)在导通期间(Ton)的LED电流;b)在Ton/2期间的模数转换器触发操作

这个触发功能嵌入在定时器架构内，因为在转换数据能够用于电流回路通过标准PI控制器调整电流前，转换操作都是由软件管理的，所以不会给CPU增加负荷。

此外，Ton/2电流值不受开关操作的影响(图3a)，因为没有阻容滤波器引起的延时，所以电流检测精度不再是问题。具有PWM调光功能的电流调整波形如 3b所示。

图3 a)LED电流(绿色波形)和并联变阻器上的电压(紫红色波形);b)LED灯串上的均流控制

一旦转换操作结束，电流控制立即逐个通道地每3个PWM周期执行一次转换结束中断服务处理程序(End Of Conversion Interrupt Service Routine)，以确保适合的控制器带宽。为最大限度地减少因控转换时间造成的通道之间电流失匹，当控制器对其中一个通道进行转换和调整操作时，同时还利用不同的采样时间控制其余的通道。

为了在白天改变输出光通量，调整照明系统的总体亮度，该平台还在LED整流电路内增加调光功能。

为了全面地分析采用反向降压转换器拓扑实现的数字电流控制器，图4对能效与电流负载进行了对比分析。在全负载时，四条通道可实现 97%的总能效，这可满足主要的节能要求。

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图4 能效图

最后，过压保护、过流保护和LED短路保护(有维修人员检修的应用情景)进一步完善了这个街道照明平台的性能和市场竞争力。该平台的优点包括：可以轻松实现1到16路输出通道，用软件和灵活的数字控制器控制的1W、3W或大功率LED的电源模块，为可调光的多灯串架构的高能效街道照明系统提供最佳的解决方案。

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