在汽車冷啟動的過程中對電子設(shè)備有什么要求

汽車制造商長期以來利用電子設(shè)備來增強其車輛。分析師Databeans報告說，近年來車輛中的半導體內(nèi)容一直以兩位數(shù)的速度增長，現(xiàn)在已達到每輛車大約350美元。

盡管現(xiàn)代汽車是一個充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境，但電子內(nèi)容的增加仍然存在。硅。此外，除了正常運行的熱量，振動和污垢之外，駕駛員還希望車輛的發(fā)動機管理單元和照明能夠恢復生機，即使車輛的電源與內(nèi)燃機的啟動要求相悖（“冷啟動” “）。除了由電池供電的任何安全系統(tǒng)之外，駕駛員認為這是理所當然的，但是必須準備好在點火鑰匙被轉(zhuǎn)動或按下啟動按鈕的瞬間工作。

問題是在寒冷的溫度下成倍增加諸如增加內(nèi)部電池電阻和發(fā)動機粘性潤滑劑的額外起動負載等因素。更糟糕的是，許多現(xiàn)代汽車需要比舊式汽車更頻繁的冷啟動，因為每次汽車停止時，它們的發(fā)動機會自動停止作為經(jīng)濟措施。

本文探討了冷啟動過程中對電子設(shè)備的要求。了解一些主要芯片供應(yīng)商如何利用其最新產(chǎn)品應(yīng)對挑戰(zhàn)。

冷啟動的要求

傳統(tǒng)汽車中的標準電源通常是由六個構(gòu)造的鉛酸電池2.1 V串聯(lián)電池，提供12 V標稱電壓（實際為12.6 V）。在正常運行中，車輛的電池電壓通常在9到16 V之間變化。1

在冷啟動期間電壓的變化甚至更大。冷啟動描述了從寒冷條件（或至少在低于正常運行條件的溫度下）啟動車輛發(fā)動機的動作。在冷啟動期間，電池是旋轉(zhuǎn)啟動馬達的唯一動力源，其反過來使發(fā)動機逆著氣缸壓縮，摩擦和粘性潤滑劑的阻力旋轉(zhuǎn)。發(fā)動機在點火之前需要達到80到200 rpm之間。

冷啟動安培（CCA）定義了電池在0°F（-18°C）時可以提供的電流。額定值指定為當前鉛酸電池在該溫度下可以提供30秒，同時每個電池保持至少1.2 V（12 V電池為7.2 V）。新的充滿電的鉛酸電池的典型值在400到500A的范圍內(nèi)。電池的CCA取決于諸如充電狀態(tài)，年齡和充電周期數(shù)等因素。沒有傳統(tǒng)的汽車電池可以立即達到其額定CCA。事情需要一些時間來熱身。圖1顯示了冷啟動下的典型電池配置文件。

圖1：冷啟動下的汽車電池電壓曲線（由德州儀器公司提供）。

在幾毫秒內(nèi)，電池電壓可降至3 V左右，并保持15 ms左右?；謴偷? V非常快，但是電壓升高到標稱輸出可能需要多達20秒。2傳統(tǒng)上，鉛酸電池為啟動，點亮和點火（SLI）供電車輛的系統(tǒng)（該設(shè)備有時被稱為“SLI”電池）。一旦發(fā)動機嘀嗒一聲，交流發(fā)電機供電在13.8和14.4 V之間，為其他車輛系統(tǒng)供電，并為電池充電。但是，現(xiàn)代汽車越來越依賴電池為導航系統(tǒng)，娛樂等項目提供電力屏幕和儀表板即使在發(fā)動機停止時也是如此（圖2）。車輛乘員然后期望這些系統(tǒng)在冷啟動期間繼續(xù)運行，特別是在汽車中，其發(fā)動機在城市駕駛期間作為經(jīng)濟措施自動停止，然后在駕駛員踩下油門踏板時重新啟動。

圖2：即使發(fā)動機停止，駕駛員也希望儀表板保持亮起狀態(tài)制造汽車級別

車輛中使用的半導體，特別是DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器（“穩(wěn)壓器”）等功率芯片，必須設(shè)計成能夠承受冷啟動典型的寬電壓輸入變化，并且受到極端影響溫度范圍，振動和污垢。幸運的是，主要的芯片供應(yīng)商意識到汽車行業(yè)可以產(chǎn)生的大批量訂單，提供了一系列專門針對該市場的產(chǎn)品。

這些產(chǎn)品中的許多都符合AEC-Q100，這是一套由AEC-Q100定義的可靠性壓力測試。汽車電子委員會的目的是為汽車應(yīng)用IC提供資格。

產(chǎn)品從4級到0級分為四類：機械應(yīng)力（熱和壓力測試），電壓偏置應(yīng)力，晶須生長評估和功率循環(huán)。某些制造商，例如凌力爾特公司，進行額外的器件級和封裝級壓力測試。該公司表示，它的汽車級元件還要經(jīng)受液 - 液熱沖擊，瞬間焊接沖擊和100％氧化應(yīng)力測試。3

凌力爾特提供的組件包括LT3507，三通道降壓穩(wěn)壓器采用38引腳，5 x 7 mm QFN封裝。一個通道能夠提供高達2.4 A的輸出電流，而另外兩個可提供1.5 A的電流。該公司表示，該器件的4至36 V寬輸入范圍使其成為調(diào)節(jié)各種電源（包括汽車）電源的理想選擇。電池。在車輛應(yīng)用中，該公司稱LT3507的最小輸入電壓為4 V，使其能夠在冷啟動條件下工作。

德州儀器（TI）提供大量汽車級功率芯片。該公司的典型產(chǎn)品系列是LM5088（圖3）。該器件是一種非同步，降壓（“降壓”）開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器。該公司稱該器件是AEC-Q100 1級合格的汽車級產(chǎn)品，具有-40°至+ 125°C的工作結(jié)溫。

圖3：TI的LM5088是AEC -Q100 1級合格。

LM5088的輸入電壓范圍為4.5至75 V，可提供8.3至13 V.該公司表示，使用仿真控制斜坡可降低脈沖寬度調(diào)制（PWM）的噪聲靈敏度電路，可以可靠地控制高輸入/低輸出電壓應(yīng)用中所需的非常小的占空比。 LM5088開關(guān)頻率可在50 kHz至1 MHz范圍內(nèi)編程。通過在輸入端使用橋式整流器和高價值鋁電解電容器，當輸入電壓降至4.5 V以下時，在冷啟動操作的短時間內(nèi)可確保連續(xù)工作。

同樣，意法半導體提供一系列AEC -Q100-“Q Automotive”系列中的合格元件。 A5973D是一款開關(guān)穩(wěn)壓器，最小開關(guān)電流限制為2.25 A，因此可根據(jù)應(yīng)用條件向負載提供最多2個ADC。輸出電壓可設(shè)置為1.235至35 V.內(nèi)部振蕩器將開關(guān)頻率固定為250 kHz。該公司表示，A5973D的最小輸入電壓為4 V（最大36 V），適用于即使在冷啟動期間也需要工作的汽車應(yīng)用。

低輸入電壓容限

現(xiàn)代的獨特工作條件車輛為增加的硅量提供了具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境。電壓變化，特別是在冷啟動下，對于敏感芯片來說是一個特別棘手的問題。

開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的主要制造商已經(jīng)通過引入一系列功率芯片來緩解這個問題，這些芯片能夠在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電源規(guī)格。輸入電壓特別是，這些器件即使在鉛酸電池提供的低輸入電壓下也能夠繼續(xù)令人滿意的操作，以應(yīng)對啟動冷發(fā)動機的壓力。