空调是满足汽车舒适性要求不可或缺的配置,用作车内制冷、取暖、通风换气,而且舒适的驾乘环境也关乎行车安全。而自动空调比传统的手动空调更方便,可根据用户设定的温度自动检测和调节,让车内的温度和湿度处于设定范围之内。而且,自动空调还有助于节能减排,提升燃油经济性。
汽车空调典型的供电结构
一般来讲,汽车电压分为24 V系统和12 V系统:24 V电源可采用经大功率TVS(瞬态电压抑制器)),然后由低压降稳压器(LDO)转至5 V,同时为电机驱动器供电;也可采用经成本较高的DC-DC降压器降至12 V,然后由LDO转至5 V,同时为电机驱动器供电;12 V电源经LDO为单片机、传感器等元件供电,同时直接为直流/步进电机等电机驱动器供电。
图1. 汽车空调典型的供电结构
如果采用24 V供电系统,需要考虑高耐压产品,同时兼顾热管理、电源能效和成本控制等问题;如果采用12 V供电系统,则需考虑成本、静态电流(Iq)及封装等因素。
安森美半导体为汽车空调系统提供丰富阵容的LDO,其中标准静态功耗系列(Iq >100 uA)如NCV4264-2、NCV4266-2,低静态功耗系列(Iq <100 uA)如NCV8501、NCV8502,非常低静态功耗系列(Iq <50 uA)如NCV8664、NCV8660,超低静态功耗系列(Iq <33 uA)如NCV8768、NCV8769,满足设计的不同需求。
安森美半导体还提供为传感器供电的电压跟随器NCV8184,具可调节的缓冲输出电压,密切匹配参考输入电压(精度达±3 mV)。该器件的输出电流能力为70 mA,静态电流仅为70 uA,当电流为50 mA时,典型压降仅为0.35 V,采用SOIC-8封装。
驱动
1. 风门执行器驱动
直流电机、单极性步进电机、双极性步进电机为汽车空调风门执行器的三种
典型结构。直流电机风门执行器中包括一个直流电机和一个位置传感器,需要一个完整的H桥(由2个高边开关和2个低边开关组成 ),来控制电机的正反转,通过内部自带的位置传感器,可以实时的监控风门的位置,实现闭环控制;单极性步进电机的控制只需要4路高边或者4路低边驱动,由于步进电机本身的特性,可以通过计数步进次数来知道风门的位置;双极性步进电机只需要两组线圈,其驱动需要2个H桥(由4个高边开关和4个低边开关组成)来控制两个线圈,与单极性步进电机类似,可以通过计数步进数来得知风门目前的位置。
图2. 风门执行器电机结构及驱动类型
直流电机风门执行器的正常工作电流约100 mA,堵转电流小于450 mA,需要H桥驱动来改变运行方向,并提供故障诊断报告及足够的保护功能。安森美半导体的NCV77XX系列完全满足上述需求,能以正向、反向、制动及高阻抗状态工作。以六路半桥驱动器NCV7718为例,6路PMOS作为高边驱动,6路NMOS作为低边驱动,高低边在芯片内部连接,以H半桥作为输出,提供0.55 A持续驱动电流,内部集成续流二极管,导通电阻典型值和最大值分别为1 和2.25 ,通过16位SPI接口控制,低功耗(最大消耗电流仅为5 Ua ),提供驱动状态、低负载保护、过流、过温和温度警告等诊断报告,并集成一系列保护特性如过压/欠压保护、过流关断、过温保护等,采用SSOP-24/SSOP24-EP封装。另外,根据不同的输出需求,可选择安森美半导体的8路半桥驱动器NCV7719或10路半桥驱动器NCV7720。安森美半导体还提供带独立诊断功能的6路半桥驱动器NCV7728,该器件峰值电流为0.55 A,导通电阻典型值和最大值分别为1 和2,接口兼容3.3 V/5 V单片机,在睡眠模式下提供超低静态功耗,通过16位SPI接口控制(波特率为5 MHz,兼容菊花链通信),集成续流保护、过流保护、开路检测、过热关断及过温报警等保护特性。
图3. 带独立诊断功能的6路半桥驱动器NCV7728典型应用示例
步进电机风门执行器中,每个电机需要4路驱动,最大工作电流小于300 mA,可直接控制或通过LIN总线远程控制。安森美半导体用于汽车空调的单极性步进电机驱动器有NCV7608和NCV7240。NCV7608是8路高低边可配置驱动器,每通道可提供350 mA驱动电流,提供完善的保护功能,采用SOIC28封装,通过AEC-Q101认证;NCV7420是8路低边驱动器,每通道可提供600 mA驱动电流,通过16位SPI接口控制,提供开路诊断、过载保护、过温保护等完善的诊断和保护功能,采用SSOP24封装,通过AEC-Q100认证。安森美半导体用于汽车空调的双极性步进电机驱动器有AMIS30730和NCV70501,这两款器件的驱动电流均为300 mA。AMIS30730采用LIN接口,内含MCU、ROM、RAM和EEPROM;而NCV70501采用SPI接口。