低成本自动空调系统的设计与集成解决方案

　　全球汽车市场的客户需求促使电脑恒温控制(也称自动空调系统)得以广泛应用于大多数车辆，从价格低廉的实用车型到彰显尊贵的豪华车型都配备了电脑恒温控制系统。随着产量的上升和价格压力的增加，系统供应商需要提高效率并降低材料成本以满足市场需求，同时实现利润。

　　基本要求和条件

　　自动空调系统融合了大量的电子技术，其用户界面由显示屏、LED状态指示灯或背光装置构成。车内装有各种环境传感器，可测量温度、光照强度、湿度或其他参数。同时还需一个调节器用于风扇控制。可使用开关式调节器以提高效率。也可选用线性调节器以节约成本。电脑恒温控制装置还需为负荷突降、静电放电(ESD)、电磁干扰(EMI)和反极性现象提供有效保护。

　　自动空调系统集成商需要以最快的速度和最有效的方式获得所有元件并将其集成在一起。对元件的一个重要限制条件就是其必须符合汽车应用环境的使用要求。AECQ200标准适用于无源分立组件，而AECQ101适用于有源分立组件。

　　成本优化的调节器设计

　　这里以控制鼓风机的调节器设计为例。图 1 是一个示意图。这种基本的拓扑设计既适用于线性调节器也适用于开关式调节器。鼓风机控制装置是一种典型的专用集成电路(ASIC)，其优化的专项功能和硅区域可以节约成本。红色所显示的元件是功率电感、滤波和升压电容器以及续流二极管。只有开关式调节器需要这些元件。通过增加这些元器件以及改为开关式控制，制造商就可以建造两种类型的调节器，而无需进行全面重新设计。通过采购两种类型通用的元器件，还可实现规模经济效益。这类元器件包括分流电阻器和功率MOSFET。

　　例如，Vishay WSL系列电阻器是额定功率高达5W、最低电阻值为0.5mW的Power Metal Strip电阻器。温度系数在±75 ppm/℃到±275 ppm/℃之间，具体取决于包装尺寸和电阻值。这种电阻器的额定工作温度范围为-65 ℃至275℃，适合作为分流电阻器，如图1所示。而开关式调节器非常适合使用 Trench MOSFET。Trench技术可以提供更高的单元密度，因此可以在既定的芯片尺寸上实现低导通电阻。同时，用于PWM的Trench MOSFET还经过了低闸电荷优化，从而最大程度的提高工作性能。此外，目前销售的Trench MOSFET可以使用逻辑电平信号切换到最低导通电阻状态，这样就可去掉若干外部元件。

　　Vishay推出的Trench MOSFET种类广泛，单元密度从8 Mcell到278 Mcell不等。可根据不同的应用需求和闸电荷(QGate)、导通电阻(RDS(on))、额定漏极电流(IDrain)、雪崩额定值(IAvalanche)等参数选择最适合的部件。Vishay SUV90N06 等功率 MOSFET 适合用于开关式调节器。在线性模式下，必须使用温度感应控制回路，从而灵敏的控制MOSFET以防其温度过高。

　　开关式结构还需如图1所示的功率电感，该电感必须具有较高的电流处理能力和较低的直流电阻(DCR)，以最大程度地提高效率并简化热设计。Vishay IHLP系列电感还能承受汽车内的恶劣环境，并能处理高瞬态尖峰电压而不会达到饱和。这种电感的下降速率远低于铁素体材料，在满负荷电流状态下降电感低于20%。包装和磁芯都使用铁粉制成，因此能够在减少频率损失的同时实现较高的热性能。与市场上类似型号的屏蔽电感相比，这种电感还可储存更多的能量。

　　铝电解电容器是滤波和升压功能的最佳选择。为方便调节器的总体热设计，这些元件也必须是低阻抗装置。而且，在汽车应用领域，设计人员倾向于使用定制的元器件以满足特定电子参数或所占空间较小的要求。Vishay公司对这些需求做出了迅速回应，相继推出了包括150CLZ系列在内的各种车用铝电容器产品。

　　作为应用于汽车电源环境的续流二极管，肖特基势垒二极管应能满足35V~60V的反向电压要求，且其额定正向电流最高应达到30A。Vishay MBR25xxCT就是这种二极管的代表。

　　最大的工艺性

　　重要的是，无论是线性还是开关式结构，在表面贴装包装里的所有元器件可以使制造商采用自动化直进工艺组装整个调节器，而无需融入不同技术的组装设备，或对特定元器件进行人工组装。

　　这里提及的所有器件都符合相关AECQ-200或AECQ-101标准的要求，因此可随时用于汽车环境。例如，150CLZ系列电容器的额定工作温度高达105℃，能够在汽车驾驶室环境中连续工作。在60℃和额定波纹电流条件下，这种电容器的使用寿命超过六年。

　　保护电路

　　复杂的电子装置同样要求对在汽车电子环境中常见的危险提供有效保护。这些危险大多由瞬态值较大所造成，例如负荷突降状况。当电池意外的与发电机充电电路断开时，就会出现负荷突降。用于防止负荷突降的瞬态电压抑制(TVS)装置必须具有高额定功率和低箝位电压，即使是在高温下也要保证超低的反向泄漏。Vishay 6KA24就是一种适合用于抑制负荷突降的TVS器件。如图2所示，这种器件可以与GP30二极管一起使用以提供反接电池保护。

　　在现代化系统中，越来越多的在高端电池线中采用导通电阻极低的P通道MOSFET进行反极性保护。P通道MOSFET的连续电流负荷为5A，导通电阻为15mΩ，其产生的电压降(VDS)极低，仅为75mV。比较而言，肖特基二极管在5A时的电压降为550mV，这样会导致更大损失并产生更多热量。因此，在汽车应用中，越来越多的使用P通道MOSFET进行高端反极性保护并充当高端负荷开关。

　　传感器集成

　　根据目标市场和自动空调系统专门功能的要求，还需配备各种类型的传感器。这些传感器为控制ASIC提供环境信息。基本的传感器包括驾驶室内的温度传感器。在一些高价值系统中，还会监测其他参数为增值功能提供支持。例如，监测外部光线强度可以自动调整白天或夜间驾驶的温度设置；又如，在阳光较强时系统会自动降低温度或使侧车窗变暗。

　　如今，从手机到汽车外部照明等产品都要求对周围环境做出更好的反应，因此涌现出了一大批适用于各种环境的光线传感器。Vishay TEMT6000系列光线传感通过器模拟人眼对光线的反应使系统能够准确按照驾驶员的要求进行调整。这种传感器采用小型的表面贴装包装，符合0805或1206行业标准的外形要求，能够实现便捷、高速的组装。Vishay新推出了采用最新光学电位计的TCUT1300X01，可用于温度控制面板。该产品完全符合AEC-Q101的要求。

　　总结：提前解决难题

　　Vishay为每个元器件提供额定值适合汽车自动空调系统使用、且符合AECQ应用标准的解决方案，能够满足一级系统集成商的需求。这些解决方案涵盖执行重要功能所需的元器件、对汽车电子环境可靠性至关重要的保护装置以及完成系统设计所需的大量额外被动器件。集成商向单个供应商直接购买这些元器件，这样就降低了总成本并缩短了上市时间。

　　现在，随着各级市场客户需求的持续强劲增长，这些因素对自动空调系统的设计来说就变得至关重要。