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如何保障汽車(chē)信息娛樂(lè)和機(jī)群系統(tǒng)的熱安全性?

發(fā)布時(shí)間:2019-11-26 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】目前,下一代汽車(chē)配備了越來(lái)越復(fù)雜的信息娛樂(lè)和機(jī)群系統(tǒng)。但是現(xiàn)代汽車(chē)中電子器件的數(shù)量增加會(huì)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(chē)儀表盤(pán)已經(jīng)暴露在陽(yáng)光和高溫下。
 
整個(gè)信息娛樂(lè)和機(jī)群系統(tǒng)的熱量會(huì)不斷增加,所以汽車(chē)制造商現(xiàn)在必須克服新的熱管理難題。為吸引客戶(hù),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(yàn),同時(shí)確保這些系統(tǒng)提供的關(guān)鍵功能能夠安全可靠地運(yùn)行。
 
圖1顯示了各類(lèi)信息娛樂(lè)和機(jī)群應(yīng)用程序,每種應(yīng)用程序都有各自的散熱問(wèn)題。
 
如何保障汽車(chē)信息娛樂(lè)和機(jī)群系統(tǒng)的熱安全性?
圖1:信息娛樂(lè)和機(jī)群系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題是熱問(wèn)題
 
保護(hù)汽車(chē)頭部單元中過(guò)載的微處理器
 
汽車(chē)的頭部單元已成為信息娛樂(lè)系統(tǒng)的主控制面板,匯集了許多先前分散在整個(gè)汽車(chē)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(lè)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(huì)快速升溫。
 
大部分的熱量和風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自這些微處理器的核心。為獲得最可靠的溫度測(cè)量,無(wú)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(guò)P-N接點(diǎn)進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)。
 
德州儀器針對(duì)這些遙感情況設(shè)計(jì)了TMP451-Q1,無(wú)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(gè)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(wú)引線(xiàn)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(gè)2.5mmx2.5mm的可濕性側(cè)面,也符合汽車(chē)工業(yè)中用于在電子板上進(jìn)行快速焊料驗(yàn)證的自動(dòng)光學(xué)檢查(AOI)工藝。
 
該器件具有警報(bào)功能,可在溫度升高到特定閾值以上時(shí)用作中斷,從而修改系統(tǒng)行為。兩種警報(bào)功能:THERM和ALERT/THERM2提供了對(duì)系統(tǒng)熱管理的更多控制。
 
如圖2所示,將首個(gè)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(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)。第二個(gè)中斷(THERM)的溫度為110°C,實(shí)際上會(huì)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(kāi)始系統(tǒng)重置,直到溫度降至THERM滯后以下。
 
如何保障汽車(chē)信息娛樂(lè)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(cè)量系統(tǒng)溫度
 
汽車(chē)儀表盤(pán)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(lèi)似于音響主機(jī)的數(shù)字化,儀表盤(pán)正在升級(jí)為可重新配置的機(jī)群。這些可重新配置的機(jī)群提供個(gè)性化顯示,包括導(dǎo)航、媒體、聯(lián)系人等。這對(duì)微處理器要求極其苛刻。隨著加工需求的增加,微處理器會(huì)自動(dòng)加熱,特別是由于方向盤(pán)后面的空間極其有限,通常無(wú)法通風(fēng)。
 
為獲得相關(guān)的溫度測(cè)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(guò)選擇規(guī)格較低的微處理器來(lái)使系統(tǒng)性能接近其熱設(shè)計(jì)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(shí)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(huì)過(guò)于接近熱設(shè)計(jì)限值(請(qǐng)參見(jiàn)圖3)。
 
如何保障汽車(chē)信息娛樂(lè)和機(jī)群系統(tǒng)的熱安全性?
圖3:通過(guò)高精度熱監(jiān)測(cè)提高系統(tǒng)性能
 
TMP235-Q1在-40°C至150°C(0級(jí))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(jiàn)圖4)且功耗低。
 
如何保障汽車(chē)信息娛樂(lè)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(gè)端口,則此瓦數(shù)會(huì)成倍增加,會(huì)變熱并存在潛在危險(xiǎn)。USB控制器集成電路(IC)通常具有可編程的電纜下垂補(bǔ)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(shí)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(xiàn)性輸出:1 mm x 0.5 mm。
 
當(dāng)溫度超過(guò)由電阻器、電壓或工廠編程設(shè)定的特定閾值時(shí),溫度開(kāi)關(guān)還可通過(guò)向USB控制器IC發(fā)送警報(bào)來(lái)保護(hù)系統(tǒng)免受過(guò)熱影響。該警報(bào)可繞過(guò)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(chē)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(shí)現(xiàn)相比(圖5),使用溫度開(kāi)關(guān)具有成本優(yōu)勢(shì),因?yàn)闊o(wú)需使用比較器和基準(zhǔn)電壓源之類(lèi)的額外電路就可檢測(cè)閾值。
 
如何保障汽車(chē)信息娛樂(lè)和機(jī)群系統(tǒng)的熱安全性?
圖5:溫度開(kāi)關(guān)的離散實(shí)現(xiàn)
 
TMP390-Q1電阻器可編程溫度開(kāi)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(gè)通道,可同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立的過(guò)溫(熱)和低溫(冷)檢測(cè)(見(jiàn)圖6)。TMP390-Q1還是熱敏電阻的低功耗替代品,因?yàn)樗商峁?.62至5.5 V的電源,并在25°C時(shí)消耗0.5 µA的電流。該器件提供了最簡(jiǎn)易的熱保護(hù)實(shí)現(xiàn)方案,并且也是高度集成的器件,因?yàn)樵撈骷谝粋€(gè)芯片中同時(shí)提供了冷熱保護(hù)功能。
 
如何保障汽車(chē)信息娛樂(lè)和機(jī)群系統(tǒng)的熱安全性?
圖6:TMP390-Q1的低溫和過(guò)熱保護(hù)
 
信息娛樂(lè)系統(tǒng)中有多種處理溫度監(jiān)測(cè)和保護(hù)的方法,還有許多其他方面需要考慮。隨著汽車(chē)內(nèi)各種功能和顯示器數(shù)量的增加,汽車(chē)加工要求也在不斷上升,確保熱安全對(duì)于避免事故至關(guān)重要。
 
 
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