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如何实现电动汽车电源控制和遥测?

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。

就电动型汽车而言,想要司机心里更踏实,能否实时、准确监控汽车的功耗是关键。

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)。]

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图 1:测量电源轨上的输入电压和负载电流 (检测电压)

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。

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。

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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

LTC4282 是一款可热插拔的控制器和电路断路器,提供能量遥测功能和 EEPROM (图 3),凭借创新性双电流通路特色,满足了大电流应用的需求。该控制器通过控制外部 N 沟道 MOSFET,可平滑地给大容量电容器加电,从而避免出现输入电源干扰以及电流达到破坏性水平,因此可确保电源在 2.9V 至 33V 范围内安全接通和断开。LTC4282 位于通往电路板电源的入口,其准确度为 0.7% 的 12 位或 16 位 ADC 通过一个 I2C/SMBus 数字接口报告电路板电压、电流、功率和能耗。内部 EEPROM 为寄存器设置和故障记录数据提供非易失性存储,从而可在开发过程中及现场运行时,加速调试和故障分析。

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图 3:具功率 / 能量遥测功能和 EEPROM 的 LTC4282 电路断路器

LTC4282 具准确度为 2% 的电流限制电路断路器,最大限度减少了过流设计,这在大功率时更加重要。在出现过流情况时,LTC4282 折返电流限制,以在可调超时时间内保持恒定 MOSFET 功耗。定时器到了定时时间后,电路断路器断开故障模块和公用电源总线的连接。空闲模块也可以断开与电源总线的连接以节省功率。能够以数字方式配置的电路断路器门限允许随负载变化进行动态调节,方便了小电阻值检测电阻器的选择。所监视电气参数的最小值和最大值都记录下来,当超过 8 位可调门限时,就发出警示信号。为了防止给电路板造成灾难性损坏,这些 MOSFET 受到连续监视,以发现异常情况,例如低栅极电压和漏-源短路或大的压差。

SOA 共享路径

虽然 LTC4282 控制单个电源,可是它为负载电流提供了两条平行的电流限制路径。采用传统单路控制器的大电流电路板使用多个并联的 MOSFET 以降低导通电阻,但是所有这些 MOSFET 都需要具有大的安全工作区 (SOA) 以安然承受过流故障,这是因为不能假设并联的 MOSFET 在电流限制期间分担电流。


(责任编辑:ioter)

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