低成本自動空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與集成解決方案

　　全球汽車市場的客戶需求促使電腦恒溫控制(也稱自動空調(diào)系統(tǒng))得以廣泛應(yīng)用于大多數(shù)車輛，從價(jià)格低廉的實(shí)用車型到彰顯尊貴的豪華車型都配備了電腦恒溫控制系統(tǒng)。隨著產(chǎn)量的上升和價(jià)格壓力的增加，系統(tǒng)供應(yīng)商需要提高效率并降低材料成本以滿足市場需求，同時實(shí)現(xiàn)利潤。

　　基本要求和條件

　　自動空調(diào)系統(tǒng)融合了大量的電子技術(shù)，其用戶界面由顯示屏、LED狀態(tài)指示燈或背光裝置構(gòu)成。車內(nèi)裝有各種環(huán)境傳感器，可測量溫度、光照強(qiáng)度、濕度或其他參數(shù)。同時還需一個調(diào)節(jié)器用于風(fēng)扇控制。可使用開關(guān)式調(diào)節(jié)器以提高效率。也可選用線性調(diào)節(jié)器以節(jié)約成本。電腦恒溫控制裝置還需為負(fù)荷突降、靜電放電(ESD)、電磁干擾(EMI)和反極性現(xiàn)象提供有效保護(hù)。

　　自動空調(diào)系統(tǒng)集成商需要以最快的速度和最有效的方式獲得所有元件并將其集成在一起。對元件的一個重要限制條件就是其必須符合汽車應(yīng)用環(huán)境的使用要求。AECQ200標(biāo)準(zhǔn)適用于無源分立組件，而AECQ101適用于有源分立組件。

　　成本優(yōu)化的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

　　這里以控制鼓風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)為例。圖 1 是一個示意圖。這種基本的拓?fù)湓O(shè)計(jì)既適用于線性調(diào)節(jié)器也適用于開關(guān)式調(diào)節(jié)器。鼓風(fēng)機(jī)控制裝置是一種典型的專用集成電路(ASIC)，其優(yōu)化的專項(xiàng)功能和硅區(qū)域可以節(jié)約成本。紅色所顯示的元件是功率電感、濾波和升壓電容器以及續(xù)流二極管。只有開關(guān)式調(diào)節(jié)器需要這些元件。通過增加這些元器件以及改為開關(guān)式控制，制造商就可以建造兩種類型的調(diào)節(jié)器，而無需進(jìn)行全面重新設(shè)計(jì)。通過采購兩種類型通用的元器件，還可實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。這類元器件包括分流電阻器和功率MOSFET。

　　例如，Vishay WSL系列電阻器是額定功率高達(dá)5W、最低電阻值為0.5mW的Power Metal Strip電阻器。溫度系數(shù)在±75 ppm/℃到±275 ppm/℃之間，具體取決于包裝尺寸和電阻值。這種電阻器的額定工作溫度范圍為-65 ℃至275℃，適合作為分流電阻器，如圖1所示。而開關(guān)式調(diào)節(jié)器非常適合使用 Trench MOSFET。Trench技術(shù)可以提供更高的單元密度，因此可以在既定的芯片尺寸上實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻。同時，用于PWM的Trench MOSFET還經(jīng)過了低閘電荷優(yōu)化，從而最大程度的提高工作性能。此外，目前銷售的Trench MOSFET可以使用邏輯電平信號切換到最低導(dǎo)通電阻狀態(tài)，這樣就可去掉若干外部元件。

　　Vishay推出的Trench MOSFET種類廣泛，單元密度從8 Mcell到278 Mcell不等。可根據(jù)不同的應(yīng)用需求和閘電荷(QGate)、導(dǎo)通電阻(RDS(on))、額定漏極電流(IDrain)、雪崩額定值(IAvalanche)等參數(shù)選擇最適合的部件。Vishay SUV90N06 等功率 MOSFET 適合用于開關(guān)式調(diào)節(jié)器。在線性模式下，必須使用溫度感應(yīng)控制回路，從而靈敏的控制MOSFET以防其溫度過高。

　　開關(guān)式結(jié)構(gòu)還需如圖1所示的功率電感，該電感必須具有較高的電流處理能力和較低的直流電阻(DCR)，以最大程度地提高效率并簡化熱設(shè)計(jì)。Vishay IHLP系列電感還能承受汽車內(nèi)的惡劣環(huán)境，并能處理高瞬態(tài)尖峰電壓而不會達(dá)到飽和。這種電感的下降速率遠(yuǎn)低于鐵素體材料，在滿負(fù)荷電流狀態(tài)下降電感低于20%。包裝和磁芯都使用鐵粉制成，因此能夠在減少頻率損失的同時實(shí)現(xiàn)較高的熱性能。與市場上類似型號的屏蔽電感相比，這種電感還可儲存更多的能量。

　　鋁電解電容器是濾波和升壓功能的最佳選擇。為方便調(diào)節(jié)器的總體熱設(shè)計(jì)，這些元件也必須是低阻抗裝置。而且，在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)計(jì)人員傾向于使用定制的元器件以滿足特定電子參數(shù)或所占空間較小的要求。Vishay公司對這些需求做出了迅速回應(yīng)，相繼推出了包括150CLZ系列在內(nèi)的各種車用鋁電容器產(chǎn)品。

　　作為應(yīng)用于汽車電源環(huán)境的續(xù)流二極管，肖特基勢壘二極管應(yīng)能滿足35V~60V的反向電壓要求，且其額定正向電流最高應(yīng)達(dá)到30A。Vishay MBR25xxCT就是這種二極管的代表。

　　最大的工藝性

　　重要的是，無論是線性還是開關(guān)式結(jié)構(gòu)，在表面貼裝包裝里的所有元器件可以使制造商采用自動化直進(jìn)工藝組裝整個調(diào)節(jié)器，而無需融入不同技術(shù)的組裝設(shè)備，或?qū)μ囟ㄔ骷M(jìn)行人工組裝。

　　這里提及的所有器件都符合相關(guān)AECQ-200或AECQ-101標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此可隨時用于汽車環(huán)境。例如，150CLZ系列電容器的額定工作溫度高達(dá)105℃，能夠在汽車駕駛室環(huán)境中連續(xù)工作。在60℃和額定波紋電流條件下，這種電容器的使用壽命超過六年。

　　保護(hù)電路

　　復(fù)雜的電子裝置同樣要求對在汽車電子環(huán)境中常見的危險(xiǎn)提供有效保護(hù)。這些危險(xiǎn)大多由瞬態(tài)值較大所造成，例如負(fù)荷突降狀況。當(dāng)電池意外的與發(fā)電機(jī)充電電路斷開時，就會出現(xiàn)負(fù)荷突降。用于防止負(fù)荷突降的瞬態(tài)電壓抑制(TVS)裝置必須具有高額定功率和低箝位電壓，即使是在高溫下也要保證超低的反向泄漏。Vishay 6KA24就是一種適合用于抑制負(fù)荷突降的TVS器件。如圖2所示，這種器件可以與GP30二極管一起使用以提供反接電池保護(hù)。

　　在現(xiàn)代化系統(tǒng)中，越來越多的在高端電池線中采用導(dǎo)通電阻極低的P通道MOSFET進(jìn)行反極性保護(hù)。P通道MOSFET的連續(xù)電流負(fù)荷為5A，導(dǎo)通電阻為15mΩ，其產(chǎn)生的電壓降(VDS)極低，僅為75mV。比較而言，肖特基二極管在5A時的電壓降為550mV，這樣會導(dǎo)致更大損失并產(chǎn)生更多熱量。因此，在汽車應(yīng)用中，越來越多的使用P通道MOSFET進(jìn)行高端反極性保護(hù)并充當(dāng)高端負(fù)荷開關(guān)。

　　傳感器集成

　　根據(jù)目標(biāo)市場和自動空調(diào)系統(tǒng)專門功能的要求，還需配備各種類型的傳感器。這些傳感器為控制ASIC提供環(huán)境信息。基本的傳感器包括駕駛室內(nèi)的溫度傳感器。在一些高價(jià)值系統(tǒng)中，還會監(jiān)測其他參數(shù)為增值功能提供支持。例如，監(jiān)測外部光線強(qiáng)度可以自動調(diào)整白天或夜間駕駛的溫度設(shè)置；又如，在陽光較強(qiáng)時系統(tǒng)會自動降低溫度或使側(cè)車窗變暗。

　　如今，從手機(jī)到汽車外部照明等產(chǎn)品都要求對周圍環(huán)境做出更好的反應(yīng)，因此涌現(xiàn)出了一大批適用于各種環(huán)境的光線傳感器。Vishay TEMT6000系列光線傳感通過器模擬人眼對光線的反應(yīng)使系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確按照駕駛員的要求進(jìn)行調(diào)整。這種傳感器采用小型的表面貼裝包裝，符合0805或1206行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的外形要求，能夠?qū)崿F(xiàn)便捷、高速的組裝。Vishay新推出了采用最新光學(xué)電位計(jì)的TCUT1300X01，可用于溫度控制面板。該產(chǎn)品完全符合AEC-Q101的要求。

　　總結(jié)：提前解決難題

　　Vishay為每個元器件提供額定值適合汽車自動空調(diào)系統(tǒng)使用、且符合AECQ應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，能夠滿足一級系統(tǒng)集成商的需求。這些解決方案涵蓋執(zhí)行重要功能所需的元器件、對汽車電子環(huán)境可靠性至關(guān)重要的保護(hù)裝置以及完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的大量額外被動器件。集成商向單個供應(yīng)商直接購買這些元器件，這樣就降低了總成本并縮短了上市時間。

　　現(xiàn)在，隨著各級市場客戶需求的持續(xù)強(qiáng)勁增長，這些因素對自動空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說就變得至關(guān)重要。