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如何保障汽車信息娛樂和機(jī)群系統(tǒng)的熱安全性?

發(fā)布時間:2019-11-26 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】目前,下一代汽車配備了越來越復(fù)雜的信息娛樂和機(jī)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(jī)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(jī)群應(yīng)用程序,每種應(yīng)用程序都有各自的散熱問題。
 
如何保障汽車信息娛樂和機(jī)群系統(tǒng)的熱安全性?
圖1:信息娛樂和機(jī)群系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是熱問題
 
保護(hù)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(jìn)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(yuǎn)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(jìn)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(jī)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(jìn)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。
 
如何保障汽車信息娛樂和機(jī)群系統(tǒng)的熱安全性?
圖2:TMP451-Q1中的THERM和THERM2中斷操作
 
在可重新配置的機(jī)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(jī)的數(shù)字化,儀表盤正在升級為可重新配置的機(jī)群。這些可重新配置的機(jī)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)。
 
如何保障汽車信息娛樂和機(jī)群系統(tǒng)的熱安全性?
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。
 
如何保障汽車信息娛樂和機(jī)群系統(tǒng)的熱安全性?
圖4:TMP235-Q1模擬溫度傳感器
 
保護(hù)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(hù)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(hù)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。
 
如何保障汽車信息娛樂和機(jī)群系統(tǒng)的熱安全性?
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(jìn)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(hù)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(hù)功能。
 
如何保障汽車信息娛樂和機(jī)群系統(tǒng)的熱安全性?
圖6:TMP390-Q1的低溫和過熱保護(hù)
 
信息娛樂系統(tǒng)中有多種處理溫度監(jiān)測和保護(hù)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。
 
 
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