汽車電子需要創新的低功耗技術

汽車對標準14V電氣系統設備的需求將在42V電氣系統出現后有所改變。對于汽車電子的系統設計師來說，考慮到向42V電氣系統過渡緩慢，目前他們正在對電子系統的功耗進行優化。
在1988年，德國奔馳汽車公司開始為所設計的豪華轎車進行42V電氣系統的初步構想，但直到1995年，美國麻省理工學院的42V技術組織才正式形成。且由于成本方面的影響，42V電氣系統的進程非常緩慢。所以對于汽車電子系統設計師來說，在42V電氣標準未正式出臺以前，所面臨的最大挑戰是在相同的電池電源條件下，找到新的方法來保證汽車電子設備功能的不斷增加。
在現代汽車中，典型的電子模塊和系統包括發動機控制模塊，它又包括電子閥和流量閥的控制；傳動系統控制模塊；發電機以及啟動電機的控制模塊；安全氣囊控制模塊；ABS系統；雨刷控制模塊；車窗與天窗控制模塊；GPS系統，包括指南針和導航計算機；溫度和濕度控制模塊；自動調焦鏡控制模塊；懸架控制模塊；LED燈光控制模塊；防碰撞控制模塊；自動駕駛控制模塊；自動制動控制模塊等。由于這些新型系統在車輛應用中的增加，導致對電源負載以每年100W的速度增加，且對于象發動機閥門和執行器這樣功耗大的機電一體化裝置來說，功率可能高達1kW，所以很可能會導致電源系統很快耗盡。有三種主要方法可以優化汽車電子設備的功能而不增加功耗。提高系統的工作效率、增加電源系統的工作效率、系統不用時保持關閉狀態。例如，對于啟動發電機來說，利用汽車停止的幾秒時間來關閉發動機的節氣閥，并在駕駛員碰到腳踏板時重新啟動，可以增加工作的效率；同時，可以控制汽車的燃油泵，使其和駕駛員的要求相匹配。這些都是通過系統級的方法來保證系統高效的運行。
開關電源取代線性電壓源可以大大提高系統的工作效率。但是，由于開關電源的較高成本(增加了電感、變壓器、二極管、濾波器以及通用IC)，以及潛在的EMI問題，汽車工程師不太愿意采用開關電源。
開關電源技術將可以應用在14/42V結合的電氣系統中，但是目前的條件還不成熟。盡管開關電源的線性電源具有較高的工作效率，但是當把42V的電壓降低到“分散的”線性電源可使用的低電壓時，會產生很多的損失。例如，一個效率為85％的10W開關電源，在轉換時有1.5W的損失。當增加的管芯溫度成為關鍵因素時，14V系統就不會再用線性調節器了。從技術的發展來說，汽車電子落后于計算機發展的步伐。例如，在汽車電子中仍然廣泛采用5V微處理器。對于一個5V的調節器來說，當從14V的電池中吸收100mA電流時，消耗的功率為0.9W，而當汽車電子產品的電壓降低時，其功耗將會大大增加。如果5V調節器的電壓降到1.8V(電流仍然為100mA)，那么消耗的功率會增加35％，達到1.22W。為了保證工作的可靠性，應當降低系統的工作電流，或者設計更低熱阻的封裝，以使調節器的溫度低于150℃。

關閉電子設備
在應用過程中，要關閉電子設備并不是那么容易。很明顯，需要在汽車不運行以及所選的電子設備不工作的狀態下關閉。而由于所有新型的控制模塊都需要汲取電池的電流，所以，當汽車處于怠速狀態下，不關閉控制模塊將會導致電池耗盡。
以前的汽車IC設計很少考慮所汲取的電流，所以經濟型的設計應主要考慮在汽車環境下可靠性工作的能力，為了降低工作電流，調節器主要采用了“使能”功能，但是，現在線性調節器的設計更多的是為了滿足100mA的睡眠模式電流。當連接到電池上的模塊不在激活狀態時，所汲取的電流為100mA。對于本身吸收150mA的調節器來說，模塊所汲取的電流必須低于100mA。
一旦電子系統被集成到汽車模塊中，它的使用周期將達5到10年。

最新調節器
目前市場上出現了一種新型線性調節器，它可以把睡眠模式下的150mA電流降低到1mA以下。而且發展趨勢表明，降低睡眠模式的電流是降低功耗的主要途徑，但是成本如何呢？拿可以降到1mA的調節器來說，對管芯尺寸的影響可能高達10％，而管芯的尺寸直接和成本有關。但是對于汽車設計師來說，為了得到汽車電子設備的最優性能，這是目前可行的發展方向。降低電子設備中的負載需求也日益凸現出來，由于車輛大多采用多元控制的方式，如采用低速或者高速的CAN網絡以及較新的LIN網絡，總線系統使得汽車廠家可以減少線的使用量，以降低汽車的重量，有效的控制可以保證在模塊不使用時處于關閉狀態。
在代碼的執行驗證、外部頻率監視以及降低靜態電流這些場合，都可以采用看門狗調節器(見圖1)。一般情況下，看門狗發送喚醒信號給微處理器，然后微處理器檢查開關輸入的狀態，并發回一個信號給看門狗調節器，最后返回睡眠模式，從而節省能量的消耗。喚醒信號的波形是一個連續的信號，以喚醒睡眠狀態的微處理器，其工作頻率遠遠低于微處理器的工作頻率。所以一旦微處理器被喚醒，它將決定所需要執行的任務，然后返回到睡眠模式。微處理器發送信號給調節器的看門狗輸入引腳，以確定代碼執行以及外部監視。在每個喚醒事件過程中或者復位線變低時，看門狗的輸入引腳都必須接收信號。■ (紅林譯)