引言     

    

在如今的汽車中，為了提高舒適度和行車體驗而設計了座椅加熱、空調、導航、信息娛樂、行車安全等係統
，從這些係統很容易理解在車中為各種功能供電的電子係統的好處。現在我們很難想像僅僅 100 多duo年nian以yi前qian的de景jing象xiang
，那na時shi，在zai汽qi油you動dong力li汽qi車che中zhong，一yi個ge電dian子zi組zu件jian都dou沒mei有you。在zai世shi紀ji交jiao替ti時shi期qi的de汽qi車che開kai始shi有you了le手shou搖yao曲qu柄bing，前qian燈deng開kai始shi用yong乙yi炔que氣qi照zhao明ming，也ye可ke以yi用yong鈴ling聲sheng向xiang行xing人ren發fa出chu提ti示shi信xin息xi了le。如ru今jin的de汽qi車che正zheng處chu於yu徹che底di變bian成cheng電dian子zi係xi統tong的de交jiao界jie點dian

，最zui大da限xian度du減jian少shao了le機ji械xie係xi統tong的de采cai用yong
，正zheng在zai成cheng為wei人ren們men生sheng活huo中zhong最zui大da、最昂貴的“數字化工具”。由於可用性和環保原因
，以及提高內燃型、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“數字化”轉變的驅動力。

 

隨(sui)著(zhe)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)機(ji)械(xie)係(xi)統(tong)被(bei)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)取(qu)代(dai)，功(gong)耗(hao)以(yi)及(ji)怎(zen)樣(yang)監(jian)視(shi)功(gong)耗(hao)變(bian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)重(zhong)要(yao)了(le)。準(zhun)確(que)監(jian)視(shi)電(dian)動(dong)型(xing)汽(qi)車(che)的(de)功(gong)耗(hao)最(zui)終(zhong)會(hui)讓(rang)司(si)機(ji)心(xin)裏(li)更(geng)踏(ta)實(shi)。任(ren)何(he)人(ren)隻(zhi)要(yao)駕(jia)駛(shi)了(le)全(quan)電(dian)動(dong)型(xing)汽(qi)車(che)
，都(dou)有(you)可(ke)能(neng)擔(dan)心(xin)行(xing)車(che)距(ju)離(li)問(wen)題(ti)，因(yin)為(wei)到(dao)達(da)目(mu)的(de)地(di)之(zhi)前(qian)，汽(qi)車(che)電(dian)池(chi)電(dian)量(liang)可(ke)能(neng)耗(hao)盡(jin)的(de)問(wen)題(ti)無(wu)時(shi)不(bu)在(zai)。混(hun)合(he)電(dian)動(dong)型(xing)汽(qi)車(che)車(che)主(zhu)有(you)依(yi)靠(kao)汽(qi)油(you)動(dong)力(li)引(yin)擎(qing)行(xing)駛(shi)回(hui)家(jia)的(de)優(you)勢(shi)，而(er)電(dian)動(dong)型(xing)汽(qi)車(che)隻(zhi)能(neng)在(zai)充(chong)電(dian)站(zhan)充(chong)電(dian)
，眼(yan)下(xia)充(chong)電(dian)站(zhan)稀(xi)少(shao)
，而(er)且(qie)需(xu)要(yao)幾(ji)個(ge)小(xiao)時(shi)，電(dian)池(chi)才(cai)能(neng)充(chong)好(hao)電(dian)。因(yin)此(ci)連(lian)續(xu)、準zhun確que地di監jian視shi每mei個ge電dian子zi子zi係xi統tong的de功gong耗hao是shi很hen重zhong要yao的de。基ji於yu監jian視shi所suo得de的de信xin息xi

，還hai可ke以yi建jian議yi正zheng在zai路lu上shang行xing駛shi的de司si機ji
，節jie省sheng電dian池chi電dian量liang以yi延yan長chang行xing駛shi距ju離li。斷duan開kai空kong閑xian模mo塊kuai與yu電dian源yuan總zong線xian的de連lian接jie可ke以yi進jin一yi步bu節jie省sheng功gong耗hao。監jian視shi子zi係xi統tong的de電dian流liu和he功gong率lv，還hai可ke以yi揭jie示shi有you關guan車che輛liang長chang期qi性xing能neng的de任ren何he異yi常chang趨qu勢shi，預yu測ce故gu障zhang以yi防fang故gu障zhang發fa生sheng，標biao出chu需xu要yao發fa送song給gei汽qi車che修xiu理li店dian的de服fu務wu請qing求qiu。診zhen斷duan係xi統tong也ye可ke以yi從cong功gong率lv和he能neng量liang監jian視shi中zhong受shou益yi，通tong過guo故gu障zhang記ji錄lu和he無wu線xian數shu據ju訪fang問wen
，可ke以yi快kuai速su調tiao試shi，並bing減jian少shao修xiu理li費fei用yong和he宕dang機ji時shi間jian。

 

監視和控製功耗的幾種方法

要監視電子係統的功耗，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 輸入範圍小於所監視的電壓，那麼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(suo)示(shi)，跨(kua)導(dao)放(fang)大(da)器(qi)將(jiang)高(gao)壓(ya)側(ce)檢(jian)測(ce)電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)電(dian)流(liu)輸(shu)出(chu)，該(gai)電(dian)流(liu)流(liu)經(jing)增(zeng)益(yi)設(she)定(ding)電(dian)阻(zu)器(qi)，以(yi)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)以(yi)地(di)為(wei)基(ji)準(zhun)並(bing)與(yu)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)成(cheng)比(bi)例(li)以(yi)及(ji)適(shi)合(he)饋(kui)送(song)給(gei) ADC 的電壓。為了最大限度降低功耗，全標度檢測電壓限製為幾十毫伏。因此，放大器輸入失調需要低於 100µV。為了計算功率
，必須使用通過 ADC 數字接口訪問 ADC 數據的微控製器或處理器，以實現電壓讀數和電流讀數相乘。要監視能耗
，需要在一定時間內累計 (相加) 功率讀數。

為了開關電源，一般在汽車電路中會使用機電繼電器。為了節省空間，會用 N 溝道和 P 溝道 MOSFET 等固態開關取代繼電器，從而產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 在導通電阻相同時成本更高，而且其選擇範圍很窄，限於較大電流值 (高於 10A) 情況。N 溝道 MOSFET 是應對大電流的最佳選擇，但是需要充電泵
，以提高柵極電壓
，使其高於輸入電壓。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電路的實現。

 

圖 2：用 N 溝道 MOSFET 實現電源軌的接通 / 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
，這類故障可能在任何板卡或模塊中出現。為了實現電路斷路器功能，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 中的柵極驅動器。這種方案取代了保險絲，因為保險絲反應速度慢、容限太寬且熔斷後需要更換。為了節省電路板空間
，人們希望在開關、保護和監視汽車電源總線中的功率流動時，采用集成式解決方案。

 

集成式電源控製與遙測解決方案

LTC4282 是一款可熱插拔的控製器和電路斷路器，提供能量遙測功能和 EEPROM (圖 3)，憑借創新性雙電流通路特色，滿足了大電流應用的需求。該控製器通過控製外部 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幹擾以及電流達到破壞性水平，因此可確保電源在 2.9V 至 33V 範圍內安全接通和斷開。LTC4282 位於通往電路板電源的入口，其準確度為 0.7% 的 12 位或 16 位 ADC 通過一個 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
，從而可在開發過程中及現場運行時，加速調試和故障分析。

 

圖 3：具功率 / 能量遙測功能和 EEPROM 的 LTC4282 電路斷路器

 

LTC4282 具準確度為 2% 的電流限製電路斷路器
，最大限度減少了過流設計，這在大功率時更加重要。在出現過流情況時，LTC4282 折返電流限製
，以在可調超時時間內保持恒定 MOSFET 功gong耗hao。定ding時shi器qi到dao了le定ding時shi時shi間jian後hou，電dian路lu斷duan路lu器qi斷duan開kai故gu障zhang模mo塊kuai和he公gong用yong電dian源yuan總zong線xian的de連lian接jie。空kong閑xian模mo塊kuai也ye可ke以yi斷duan開kai與yu電dian源yuan總zong線xian的de連lian接jie以yi節jie省sheng功gong率lv。能neng夠gou以yi數shu字zi方fang式shi配pei置zhi的de電dian路lu斷duan路lu器qi門men限xian允yun許xu隨sui負fu載zai變bian化hua進jin行xing動dong態tai調tiao節jie，方fang便bian了le小xiao電dian阻zu值zhi檢jian測ce電dian阻zu器qi的de選xuan擇ze。所suo監jian視shi電dian氣qi參can數shu的de最zui小xiao值zhi和he最zui大da值zhi都dou記ji錄lu下xia來lai，當dang超chao過guo 8 位可調門限時
，就發出警示信號。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 控製單個電源
，可是它為負載電流提供了兩條平行的電流限製路徑。采用傳統單路控製器的大電流電路板使用多個並聯的 MOSFET 以降低導通電阻，但是所有這些 MOSFET 都需要具有大的安全工作區 (SOA) 以安然承受過流故障，這是因為不能假設並聯的 MOSFET 在電流限製期間分擔電流。另外
，MOSFET 的選擇範圍在較高的電流水平上變窄
，價格走高，而且 SOA 的水平跟不上 RDS(ON) 的下降。通過把電流分離到兩條精準匹配的電流限製路徑之中
，LTC4282 可確保兩組 MOSFET 即使在過載情況下也將均分電流。對於 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 的選擇範圍
，並降低了其成本。這被稱為一種 “匹配” 或 “並聯” 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 的雙電流路徑還用於使 MOSFET SOA 要求與導通電阻脫鉤。大的 SOA 對於啟動浪湧、電流限製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，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
，這些是存在衝突的要求，因為 MOSFET SOA 通常隨著導通電阻的改善而變差。LTC4282 允許采用一條具有一個能處理應力情況之 MOSFET 的路徑
，和另一條具有低導通電阻 MOSFET 的路徑。這被稱為一種分級起動配置。一般來說，在啟動
、電流限製和輸入電壓階躍期間應力處理路徑接通，而 RDS(ON) 路徑則保持關斷。RDS(ON) 路徑在正常操作過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。視啟動時 MOSFET 應力大小的不同，有兩種分級起動配置
，即低應力 (圖 4) 和高應力。高應力分級起動配置推薦用於 50A 以下的應用電流水平，而並聯和低應力分級起動配置則推薦用於 50A 以上的應用。與單路徑設計相比，最低的 MOSFET 成(cheng)本(ben)由(you)低(di)應(ying)力(li)分(fen)級(ji)起(qi)動(dong)配(pei)置(zhi)提(ti)供(gong)
，代(dai)價(jia)是(shi)在(zai)瞬(shun)變(bian)情(qing)況(kuang)下(xia)不(bu)間(jian)斷(duan)運(yun)行(xing)的(de)能(neng)力(li)受(shou)限(xian)
，而(er)且(qie)不(bu)能(neng)利(li)用(yong)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)完(wan)成(cheng)啟(qi)動(dong)。並(bing)聯(lian)和(he)高(gao)應(ying)力(li)分(fen)級(ji)起(qi)動(dong)配(pei)置(zhi)可(ke)啟(qi)動(dong)一(yi)個(ge)負(fu)載(zai)並(bing)提(ti)供(gong)計(ji)時(shi)周(zhou)期(qi)較(jiao)長(chang)的(de)故(gu)障(zhang)定(ding)時(shi)器(qi)，可(ke)在(zai)持(chi)續(xu)時(shi)間(jian)較(jiao)長(chang)的(de)過(guo)載(zai)條(tiao)件(jian)和(he)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)階(jie)躍(yue)情(qing)況(kuang)下(xia)不(bu)間(jian)斷(duan)地(di)運(yun)行(xing)。

 

圖 4a：低應力分級起動配置可為 >50A 的應用提供最低的成本

 

圖 4b：利用低應力分級起動配置實現啟動：GATE1 首先接通以對輸出進行涓流充電 (具有一個 2A 的低浪湧電流水平)。GATE2 在 SOURCE (輸出) 變至高於電源良好門限時接通。

 

結論

在過去 20 年，在動力轉向、ABS 刹車、便利性、行車安全

、yuledenggongnengdequdongxia，qichezhongcaiyongdedianzixitongyizhizaikuaisuzengjia。suizheqichexiangquanmianhulianhewanquanzizhuxingshidefangxiangfazhan，dianzixitongdezengjiahaihuijiasu，zhezengdaleduizhenguidedianchigonglvdexuqiu。zaixidegonghaojianshijiashangguanbikongxianxitongyouwangtigaodianchishiyongxiaolv。tongguotigongdianlubanjidianqishuju
，LTC4282 dianluduanluqijianqingleceliangmeigezixitongdegonglvhenenghaodefudan
，yincijianqinglezhenggechelianggonglvhenenghaodeceliangfudan。pingjieqixinyinghenenggouyiduozhongfangshipeizhideshuangdianliutonglu，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。
（來源：ADI公司
，作者： Pinkesh Sachdev，混合信號產品部 產品市場工程師）