如何保障汽車信息娛樂和機群系統(tǒng)的熱安全性

目前，下一代汽車配備了越來越復(fù)雜的信息娛樂和機群系統(tǒng)。但是現(xiàn)代汽車中電子器件的數(shù)量增加會消耗更多能量，從而產(chǎn)生更多熱量。由于駕駛座熱量增加，汽車儀表盤已經(jīng)暴露在陽光和高溫下。

整個信息娛樂和機群系統(tǒng)的熱量會不斷增加，所以汽車制造商現(xiàn)在必須克服新的熱管理難題。為吸引客戶，他們需要在有限的預(yù)算的前提下，提供功能豐富且舒適的駕駛體驗，同時確保這些系統(tǒng)提供的關(guān)鍵功能能夠安全可靠地運行。

圖1顯示了各類信息娛樂和機群應(yīng)用程序，每種應(yīng)用程序都有各自的散熱問題。

圖1：信息娛樂和機群系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是熱問題

保護汽車頭部單元中過載的微處理器

汽車的頭部單元已成為信息娛樂系統(tǒng)的主控制面板，匯集了許多先前分散在整個汽車中的不同功能，并配有各種按鈕。這種集中化使得此頭部單元成為信息娛樂系統(tǒng)的“大腦”，具有應(yīng)用處理器的重要處理能力，且隨著處理負(fù)載的增加，處理器往往會快速升溫。

大部分的熱量和風(fēng)險來自這些微處理器的核心。為獲得最可靠的溫度測量，無論是基底熱敏晶體管還是處理器裸片中的二極管，通常是通過P-N接點進行遙感監(jiān)測。

德州儀器針對這些遙感情況設(shè)計了TMP451-Q1，無論是在遠程通道（處理器內(nèi)核）還是本地（放置溫度傳感器的地方），其典型精度在-40°C至125°C范圍內(nèi)均為±1°C，可為系統(tǒng)提供兩個溫度讀數(shù)。為限制功耗以及由此影響溫度精度的自熱，TMP451-Q1使用1.7V至3.6V的低電源供電，僅消耗27 μA的工作電流，且每秒進行0.0625次轉(zhuǎn)換。

TMP451-Q1還具有8針腳、2mm x 2mm的極薄型小外形無引線封裝，因此也非常適合空間受限的音響主機PCB電路板。該封裝還有一個2.5mmx2.5mm的可濕性側(cè)面，也符合汽車工業(yè)中用于在電子板上進行快速焊料驗證的自動光學(xué)檢查（AOI）工藝。

該器件具有警報功能，可在溫度升高到特定閾值以上時用作中斷，從而修改系統(tǒng)行為。兩種警報功能：THERM和ALERT/THERM2提供了對系統(tǒng)熱管理的更多控制。

如圖2所示，將首個中斷（THERM2）設(shè)置為85°C作為警告，可觸發(fā)風(fēng)扇、冷卻系統(tǒng)或降低微處理器的性能，從而降低過熱風(fēng)險。第二個中斷（THERM）的溫度為110°C，實際上會關(guān)閉系統(tǒng)，以免損壞系統(tǒng)。例如，它可命令電源關(guān)閉并開始系統(tǒng)重置，直到溫度降至THERM滯后以下。

圖2：TMP451-Q1中的THERM和THERM2中斷操作

在可重新配置的機群中準(zhǔn)確測量系統(tǒng)溫度

汽車儀表盤可提供重要信息，例如速度、RPM、燃油油位和油溫表 —— 這些信息將影響駕駛員的決策。

但是如今，類似于音響主機的數(shù)字化，儀表盤正在升級為可重新配置的機群。這些可重新配置的機群提供個性化顯示，包括導(dǎo)航、媒體、聯(lián)系人等。這對微處理器要求極其苛刻。隨著加工需求的增加，微處理器會自動加熱，特別是由于方向盤后面的空間極其有限，通常無法通風(fēng)。

為獲得相關(guān)的溫度測量值，可在微處理器附近放置極小的溫度傳感器，這將有助于提高讀取精度。借助高度精確的讀數(shù)，您可通過選擇規(guī)格較低的微處理器來使系統(tǒng)性能接近其熱設(shè)計限值，或降低系統(tǒng)成本。

的確，盡管大多數(shù)處理器都內(nèi)置了溫度傳感器，但是由于晶圓和其他各種批次之間的差異，精度僅在±4°C時保持一致。由于讀數(shù)精度存在這種差異，因此您必須考慮比±1°C精度讀數(shù)更寬的安全裕度。這種情況下，微處理器將具有3°C的額外性能空間，而不會過于接近熱設(shè)計限值（請參見圖3）。

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圖3：通過高精度熱監(jiān)測提高系統(tǒng)性能

TMP235-Q1在-40°C至150°C（0級）范圍內(nèi)具有±0.5°C的精度。該器件占板面積極?。?.00 mmx1.25 mm —— 見圖4）且功耗低。

圖4：TMP235-Q1模擬溫度傳感器

保護系統(tǒng)和USB充電器免受熱損壞

新型USB充電器不僅支持USB Type A，而且現(xiàn)在支持USB Type-C?，通常具有60 W至100 W的功率傳輸能力。如果您有多個端口，則此瓦數(shù)會成倍增加，會變熱并存在潛在危險。USB控制器集成電路（IC）通常具有可編程的電纜下垂補償，以幫助便攜式器件在重負(fù)載下以最佳電流和電壓充電。實現(xiàn)用于智能熱管理的熱敏電阻可向USB控制器提供溫度指示，并使它們將輸出電流限值更改為較低電平，以降低溫度。

例如，TMP61-Q1是具有正熱系數(shù)的熱敏電阻，可在極小的封裝中提供線性輸出：1 mm x 0.5 mm。

當(dāng)溫度超過由電阻器、電壓或工廠編程設(shè)定的特定閾值時，溫度開關(guān)還可通過向USB控制器IC發(fā)送警報來保護系統(tǒng)免受過熱影響。該警報可繞過微控制器（MCU）做出更快、更直接的決策。根據(jù)溫度閾值，MCU也可能在低于溫度傳感器的溫度下發(fā)生故障。因此，需要一種可關(guān)閉汽車的這種非關(guān)鍵功能的保護系統(tǒng)，以確保乘客安全并避免熱失控。此外，與離散實現(xiàn)相比（圖5），使用溫度開關(guān)具有成本優(yōu)勢，因為無需使用比較器和基準(zhǔn)電壓源之類的額外電路就可檢測閾值。

圖5：溫度開關(guān)的離散實現(xiàn)

TMP390-Q1電阻器可編程溫度開關(guān)覆蓋-40°C至+ 125°C的溫度范圍，最大精度為±3.0°C。它具有兩個通道，可同時進行獨立的過溫（熱）和低溫（冷）檢測（見圖6）。TMP390-Q1還是熱敏電阻的低功耗替代品，因為它可提供1.62至5.5 V的電源，并在25°C時消耗0.5 μA的電流。該器件提供了最簡易的熱保護實現(xiàn)方案，并且也是高度集成的器件，因為該器件在一個芯片中同時提供了冷熱保護功能。

圖6：TMP390-Q1的低溫和過熱保護

信息娛樂系統(tǒng)中有多種處理溫度監(jiān)測和保護的方法，還有許多其他方面需要考慮。隨著汽車內(nèi)各種功能和顯示器數(shù)量的增加，汽車加工要求也在不斷上升，確保熱安全對于避免事故至關(guān)重要。

其他資源

• 了解更多關(guān)于TI溫度傳感器的信息。
• 下載“溫度感測工程師指南”電子書。
• 請參閱以下應(yīng)用指南：
• “溫度傳感器：表面貼裝器件的PCB指南?！?/li>
• “優(yōu)化遠程二極管溫度傳感器設(shè)計?！?/li>
• 了解“如何保護控制系統(tǒng)免受熱損壞。”

編輯：fqj