汽车电源的监视和开关

引言

在如今的汽车中，为了提高舒适度和行车体验而设计了座椅加热、空调、导航、信息娱乐、行车安全等系统，从这些系统很容易理解在车中为各种功能供电的电子系统的好处。现在我们很难想像仅仅 100 多年以前的景象，那时，在汽油动力汽车中，一个电子组件都没有。在世纪交替时期的汽车开始有了手摇曲柄，前灯开始用乙炔气照明，也可以用铃声向行人发出提示信息了。如今的汽车正处于彻底变成电子系统的交界点，最大限度减少了机械系统的采用，正在成为人们生活中最大、最昂贵的“数字化工具”。由于可用性和环保原因，以及提高内燃型、混合动力型和全电动型汽车行车安全的需求，市场逐步减少了对汽油的依赖，这正是“数字化”转变的驱动力。

随着越来越多的机械系统被电子系统取代，功耗以及怎样监视功耗变得越来越重要了。准确监视电动型汽车的功耗最终会让司机心里更踏实。任何人只要驾驶了全电动型汽车，都有可能担心行车距离问题，因为到达目的地之前，汽车电池电量可能耗尽的问题无时不在。混合电动型汽车车主有依靠汽油动力引擎行驶回家的优势，而电动型汽车只能在充电站充电，眼下充电站稀少，而且需要几个小时，电池才能充好电。因此连续、准确地监视每个电子子系统的功耗是很重要的。基于监视所得的信息，还可以建议正在路上行驶的司机，节省电池电量以延长行驶距离。断开空闲模块与电源总线的连接可以进一步节省功耗。监视子系统的电流和功率，还可以揭示有关车辆长期性能的任何异常趋势，预测故障以防故障发生，标出需要发送给汽车修理店的服务请求。诊断系统也可以从功率和能量监视中受益，通过故障记录和无线数据访问，可以快速调试，并减少修理费用和宕机时间。

监视和控制功耗的几种方法

要监视电子系统的功耗，就需要连续测量电流和电压。电压可以直接用模数转换器 (ADC) 测量。如果 ADC 输入范围小于所监视的电压，那么也许需要一个电阻分压器 (图 1)。为了测量电流，需要在电源通路中放置一个检测电阻器，再测量其压降。如图 1 所示，跨导放大器将高压侧检测电压转换成电流输出，该电流流经增益设定电阻器，以产生一个以地为基准并与负载电流成比例以及适合馈送给 ADC 的电压。为了最大限度降低功耗，全标度检测电压限制为几十毫伏。因此，放大器输入失调需要低于100µV。为了计算功率，必须使用通过 ADC 数字接口访问 ADC 数据的微控制器或处理器，以实现电压读数和电流读数相乘。要监视能耗，需要在一定时间内累计 (相加) 功率读数。

图 1：测量电源轨上的输入电压和负载电流 (检测电压)

为了开关电源，一般在汽车电路中会使用机电继电器。为了节省空间，会用 N 沟道和 P 沟道 MOSFET 等固态开关取代继电器，从而产生所有组件都在同一块电路板上、可以统一采用再流焊工艺组装的 PCB 设计。P 沟道 MOSFET 通过拉低其栅极电平而接通，通过将栅极连接至输入电压而断开。与 N 沟道 MOSFET 相比，P 沟道 MOSFET 在导通电阻相同时成本更高，而且其选择范围很窄，限于较大电流值 (高于 10A)情况。N 沟道 MOSFET 是应对大电流的最佳选择，但是需要充电泵，以提高栅极电压，使其高于输入电压。例如，12V 输入需要 22V栅极电压，即 MOSFET 栅极要高出输入 10V。图 2 显示了一个电源开关电路的实现。

图 2：用 N 沟道 MOSFET 实现电源轨的接通/断开

常见的电源总线也需要针对短路和过载故障提供保护，这类故障可能在任何板卡或模块中出现。为了实现电路断路器功能，可以比较图 1 中放大器的输出和一个过流门限，以断开图 2 中的栅极驱动器。这种方案取代了保险丝，因为保险丝反应速度慢、容限太宽且熔断后需要更换。为了节省电路板空间，人们希望在开关、保护和监视汽车电源总线中的功率流动时，采用集成式解决方案。

集成式电源控制与遥测解决方案