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如何保障汽車信息娛樂和機群系統的熱安全性?


時間:2019-11-27

應用領域:熱安全


   目前,下一代汽車配備了越來越復雜的信息娛樂和機群系統。但是現代汽車中電子器件的數量增加會消耗更多能量,從而產生更多熱量。由于駕駛座熱量增加,汽車儀表盤已經暴露在陽光和高溫下。

   整個信息娛樂和機群系統的熱量會不斷增加,所以汽車制造商現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,同時確保這些系統提供的關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群應用程序,每種應用程序都有各自的散熱問題。


圖1 信息娛樂和機群系統的關鍵問題是熱問題

   保護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的“大腦”,具有應用處理器的重要處理能力,且隨著處理負載的增加,處理器往往會快速升溫。

   大部分的熱量和風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接點進行遙感監測。

   德州儀器針對這些遙感情況設計了TMP451-Q1,無論是在遠程通道(處理器內核)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范圍內均為±1°C,可為系統提供兩個溫度讀數。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,且每秒進行0.0625次轉換。

   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PCB電路板。該封裝還有一個2.5mmx2.5mm的可濕性側面,也符合汽車工業中用于在電子板上進行快速焊料驗證的自動光學檢查(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,從而修改系統行為。兩種警報功能:THERM和ALERT/THERM2提供了對系統熱管理的更多控制。

   如圖2所示,將首個中斷(THERM2)設置為85°C作為警告,可觸發風扇、冷卻系統或降低微處理器的性能,從而降低過熱風險。第二個中斷(THERM)的溫度為110°C,實際上會關閉系統,以免損壞系統。例如,它可命令電源關閉并開始系統重置,直到溫度降至THERM滯后以下。

圖2 TMP451-Q1中的THERM和THERM2中斷操作

   在可重新配置的機群中準確測量系統溫度

   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,類似于音響主機的數字化,儀表盤正在升級為可重新配置的機群。這些可重新配置的機群提供個性化顯示,包括導航、媒體、聯系人等。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。

   為獲得相關的溫度測量值,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,您可通過選擇規格較低的微處理器來使系統性能接近其熱設計限值,或降低系統成本。

   的確,盡管大多數處理器都內置了溫度傳感器,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。由于讀數精度存在這種差異,因此您必須考慮比±1°C精度讀數更寬的安全裕度。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計限值(請參見圖3)。

圖3 通過高精度熱監測提高系統性能

   TMP235-Q1在-40°C至150°C(0級)范圍內具有±0.5°C的精度。該器件占板面積極小(2.00 mmx1.25 mm —— 見圖4)且功耗低。

圖4 TMP235-Q1模擬溫度傳感器

   保護系統和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載下以最佳電流和電壓充電。實現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。

   當溫度超過由電阻器、電壓或工廠編程設定的特定閾值時,溫度開關還可通過向USB控制器IC發送警報來保護系統免受過熱影響。該警報可繞過微控制器(MCU)做出更快、更直接的決策。根據溫度閾值,MCU也可能在低于溫度傳感器的溫度下發生故障。因此,需要一種可關閉汽車的這種非關鍵功能的保護系統,以確保乘客安全并避免熱失控。此外,與離散實現相比(圖5),使用溫度開關具有成本優勢,因為無需使用比較器和基準電壓源之類的額外電路就可檢測閾值。

圖5 溫度開關的離散實現

   TMP390-Q1電阻器可編程溫度開關覆蓋-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實現方案,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功能。

圖6 TMP390-Q1的低溫和過熱保護

   信息娛樂系統中有多種處理溫度監測和保護的方法,還有許多其他方面需要考慮。隨著汽車內各種功能和顯示器數量的增加,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重要。

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