汽车附件和电子控制设备受益于电源管理方案，从而防止蓄电池电量耗尽和高油耗。低功率电子子系统对于下一代电动轿车和插电式电动汽车尤其重要。

要 点

睡眠状态下每天的功率预算不到50mA，因此稳压器自身的静态电流应当低于50mA。

处于熄火状态时，现代网络轿车可以防止其电子设备耗尽车载蓄电池电量，但来自售后市场的电子设备依然可能耗尽蓄电池电量。

提高轿车燃油经济性的最简便方法依然是减小发动机大小。

理想的汽油轿车将司机和乘客从A地舒舒服服地运送到B地，在这一过程中虽然消耗汽油，但排放的尾气几乎无害。不过，买车一族对于“舒服”的定义急剧扩大，许多车主现在希望爱车配备卫星导航、安保、气候控制、互联网接口，甚至饮料冷藏功能。特性的升级导致当发动机关闭、轿车的电子设备处于睡眠状态时，轿车蓄电池的负荷相应增加。轿车电子附件的设计者必须平衡以下两方面：轿车特性和附件的电力需求；睡眠状态时，轿车蓄电池包含的有限电力。此外，由于汽油价格持续上涨，燃油经济性对于消费者日益重要，因此，汽车原始设备制造商 (OEM) 纷纷开始为供油、空调等子系统打造复杂但高效的电子控制系统。



以前，轿车电子设备较原始，汽油价格较便宜的时候，人们对于降低汽车电子设备的耗电几乎没有兴趣。不过，由于今天的轿车几乎普遍依赖控制器局域网络 (CAN) 等网络，并且对电子子系统具有严格的睡眠状态功率预算，因此汽车附件和子系统的设计者必须研制出耗电量尽可能少的设计。例如，睡眠状态功率预算可以避免以下情况的发生：车主出差两个星期后，回到机场的停车场，结果发现一直处于开启状态的电子设备在他离开期间已经耗尽了蓄电池电量。

气囊等系统在轿车停放后完全关闭；停放的轿车中不需要部署气囊。无钥进入系统、报警系统等其它在汽车停放后依然工作的子系统将依然开启，但处于睡眠状态，只需要消耗少量的“维生”电流。它们依靠蓄电池直接供电。轿车OEM在网络架构内部界定了轿车平台的配电，从而确保始终处于开启状态的系统有电可用，而其它系统处于睡眠状态，等待网络的唤醒信号。尽管各公司向来不公开附件和子系统的睡眠状态功率预算，但凌力尔特公司电源产品部产品营销经理Tony Richardson估计，每天持续消耗 20mA~50 mA 是合理范围。

对于蓄电池状况良好的轿车来说，网络架构和睡眠状态功率预算几乎消除了“在机场耗尽电池”的情形。不过，来自售后市场的附加电子设备依然可能耗尽电池电量。来自售后市场的电子设备无法直接接入网络，因此需要点烟器等电源连接器供电。

飞思卡尔公司模拟产品部系统与应用经理Kevin Anderson表示：“各OEM牢牢掌控着信息，绝不向售后市场厂商开放。就数据完整性而言，这并不是一个开放的系统。”

即使轿车发动机正在运行且电力充足，电子附件和子系统依然需要省电，以便管理轿车散热热点，并提高日益重要的燃油经济性（见附文1：《寄生功率损耗》）。半导体和IC制造商不断涉足汽车领域，甚至还向较简单的电子设备添加低功率特性和智能技术。

智能开关

固态器件正在取代继电器（一度普遍的汽车负载开关），以便增强可靠性并降低导通电阻。继电器的电阻可能为25mΩ~100mΩ，而固态继电器 (SSR) 的电阻可能只有2mΩ，大约相当于几英尺标准规格的铜导线。由于发动机启动器等子系统的电流可能高达700A，因此低电阻在这些系统中很重要。其它电路即使一直处于开启状态，它们的电流也不断变化。例如，白炽大灯刚刚打开时，灯泡很冷，并且允许持续20ms~50ms的100A~150A 初始涌流。但是随着电流不断加热灯泡，电阻增加，此时电流下降为5A~40A，根据灯泡大小有所不同。飞思卡尔的eXtreme Switch产品系列等智能固态继电器允许很大的初始涌流，这是因为它们具有可变设定点。随着灯泡升温以及电阻变化，设定点会移至新阈值来适应较低电流。但是，如果此时电流突然升高（这表明出现了短路），芯片会充当保险丝并关断，从而保护开关和负载。这些智能开关不但更加省电，还提高了可靠性，降低了材料成本。

在轿车中，大灯是仅次于HVAC（加热/通风/空调）系统的电力负荷。高亮度LED由于功耗较低、耐用、使用寿命长，被广泛应用于城市照明系统，并且在未来几年内，这些特性很可能会成为一些轿车内部和外部照明的标准特性。高亮度LED已经被应用于尾灯和日间行驶灯中，并且卡迪拉克宣布，在今年夏季推出的Escalade Platinum（凯雷德白金版）中采用高亮度LED做大灯（图 1）。

除去用电效率外，LED大灯也更易于把光线投射到司机需要的地方。目前的高端轿车一般采用电机驱动可转向大灯，可以在转弯时跟踪轿车的路线。如果采用一组LED来照明路线，则可省却可靠性较低的跟踪电机。

成本问题是阻碍轿车采用固态照明的主要障碍。因此，必须增加高亮度LED的产量来大幅度降低其价格，以便用于雪佛莱和卡迪拉克各型号。此外，温度变化对LED灯的输出影响很大，冬天汽车温度可达零下，输出变化幅度可达50%；而在夏天，变化幅度则高达三位数。

大灯LED需要配备复杂的电源管理IC。飞思卡尔公司的Anderson解释说：“大灯中并不只有一个LED，而是成串的多个LED，并且尽管在正常行驶状态下，轿车蓄电池电压可能在8V~16V范围内变化，但LED的亮度必须恒定。此时需要开关电源，在输入变化的情况下保持恒定输出。此外，LED本身的亮度并非始终一样，也会随时间而老化，因此必须调整每一个LED以确保获得恒定输出。”

大灯中的高亮度LED并非轿车中唯一需要采用开关稳压器的子系统：与较老较简单、效率较低的线性稳压器相比，CAN总线控制的几乎任何模块都可受益于开关稳压器的高效率和可变的输出状态。尽管轿车OEM均未公布CAN总线所连接模块的功率预算，但凌力尔特公司的Richardson表示，OEM中间普遍存在一种共识，即为终端系统中的微处理器供电的稳压器在睡眠状态下需要的静态电流应低于100mA，从而使更高效的开关稳压器具有优势。有关低静态电流开关设计的详情，请参阅附文2《低静态电流开关瞄准汽车电子设计》。

事实上，所有电子子系统都包含处理器，并且一些基于核的处理器可通过单独或同时降低电压和频率，在系统睡眠状态下省电（参考文献1）。例如，德州仪器公司 (TI) 基于ARM的TMS470系列产品利用了动态电压调节，这样可把电压从1.2V正常工作电压降至睡眠状态下的1V，相应节省电流20%。为什么不彻底关闭处理器呢？即使系统处于睡眠状态，也依然需要响应一些简单命令，尽管响应速度更慢。

尽管这些基于处理器的IC在芯片自身内具备电压管理功能，但这些部件依赖外部电源管理部件把蓄电池电压（约为13V）降至IC的2V~3V输入电压范围。这些汽车电源管理部件面临未来轿车设计所用的一套严格的规格：必须将静态电流由目前的100mA降至30mA~50mA，以便支持电源管理芯片的睡眠状态功率预算。此外，它们在系统唤醒命令方面也需要与CAN总线更紧密地合作。人们有望看到，汽车市场的电源管理芯片在来年开始把CAN收发器集成到电源管理芯片和稳压芯片中。此外，电源管理IC必须防止开关电路EMI（电磁干扰）影响通信收发器。为了满足汽车OEM和模块设计者的要求，这些新型芯片将面临严格的设计标准。

随着电子控制设备进一步成为轿车设计的一部分，它们在提高效率方面的潜力超过了稳压方面的机会。对于传统上由机械子系统执行的许多功能，电机驱动压缩机（比如空调用皮带驱动压缩机）可以更高效地执行这些功能。与此类似，在降低皮带驱动液压系统中常见的寄生损耗的过程中，电机驱动可变式动力转向可把燃油经济性提高0.5英里/加仑。福特公司已经宣布，它将在未来车型中推行其6速自动变速器标准。这一变速器采用电子变速，比目前的自动或手动变速器的燃油效率更高。

通过交流发电机为蓄电池充电，也可以实现省电。如果天气不错汽车就不需要开启空调、加热、或照明系统，从而需要较少的电能，交流发电机的负荷也较小。但是，交流发电机提供输出为蓄电池持续充电，并且其规格被设定用于提供最大负荷――比如在冬季的雪夜，加热和照明系统全部开启。更高效的交流发电机会根据负荷调整速度。

电动轿车和插电式混合动力车

电动汽车 (EV) 和插电式混合动力车 (PHEV) 在仅靠蓄电池供电行驶时，需要最省电的电子子系统（参考文献2）。通用汽车公司工程技术副总裁Bob Lutz曾经探讨过电子附件（甚至是普通的雨刷）的用电效率对于Chevy Volt PHEV的重要性，毕竟任何需要电池供电的子系统都会缩短Volt在仅用电池供电模式下的里程，目前约为40英里（参考文献3）。

    Tesla Motors公司正在开发一款锂离子电池供电的高端电动汽车，行驶里程240英里。与传统轿车一样，座舱降温也是电动汽车的最大附属负载。Tesla公司系统与集成部高级机械工程师Dan Adams估计，在电动汽车中，这部分一般大约消耗2kW电力。功耗第二大的部分是座舱升温。不过对于内燃机轿车来说，冷却发动机所需的废弃能量足以使座舱升温，因此是“免费”的。由于电动汽车的电力传动效率很高，因此只需片刻即可升温，并且废弃热力远比汽油发动机提供的热力低很多。传统上用于使座舱升温的3kW将严重消耗蓄电池能量。Tesla等电动汽车制造商正在为座舱升温另辟蹊径，比如利用座椅加热器来局部加热，以及利用正温度系数 (PTC) 进行整体座舱升温。

Tesla公司汽车电动装置发行工程师Scott Brenneman评价了运行中的加热器或收音机等附件如何影响汽车的行驶里程。

他说：“一般来说，一些简单的数学计算就可显示对行使里程的影响。大体而言，假设知道其它负载的情况下，给定负载对50kWhr蓄电池组会产生可计量的影响。粗略来说，我们假设特定路线上的里程为240英里，平均行驶速度为30英里/小时，总时间为8小时。我认为大部分电动子系统对行驶距离的影响很小，当然HVAC部件等个别系统除外。例如，1kW的负载如果有一半时间处于运行状态，其耗电将为4kWhr，也就是4/50，即蓄电池电量的8%。我认为这种情形很极端，毕竟1kW不论对于加热还是冷却都是大数目。外部照明灯等典型的12V负载在这种情况下的耗电低于0.2kW，从而使电池使用时间缩短1.5%。”

对于如何弥补无处不在的汽车中的较低用电效率，Adams提出了自己的观点。 “座舱的舒适性（一般是指轿车交通）与人的基本能量需要相比，需要消耗大量能量。因此，一辆时速20英里行驶的轿车，动辄消耗10kW，如果冷气系统开启，HVAC还将消耗2.5kW。而如果用自行车作为自己的交通工具，消耗的能量则远远低于 1 马力。”当然，作为一名忠实的自行车粉丝，Adams的话稍有偏颇。

参考文献

1. Chew, Bill, “Dynamic voltage scaling conserves portable Power,” EDN, Jan 10, 2002, pg 65.

2. Conner, Margery, “Lithium-ion batteries power next generation of electric vehicles,” EDN, July 5, 2007, pg 19.

3. “Chevy Volt will Need Special Low Power Windshield Wipers and Audio System.” 《寄生功率损耗》

附文1：寄生功率损耗

轿车电子设备在汽车燃油经济性方面处于什么位置？从美国能源部的燃油经济性网站（参考文献A）可以看出，汽车电子设备在榜单上的排名并不靠前：油箱中的燃油提供的能量只有不到13%用于汽车实际行驶，其余能量则由发动机和动力传动系统的低效率、空转以及附件（如空调）损耗。表A显示了总体明细。



从明细表中可以看出，只有12.6%的能量用于汽车行驶。空气动力学和机械性能增强将会改善燃油经济性，而电子控制设备仍会带来改善空间。举例来说，如果采用集成式启动器，它在红绿灯口将发动机关闭，并在驾驶者踩油门时自动重启，就可降低空转时的17%损耗。

参考文献

A，dvanced Technologies and Energy Efficiency, US Environmental Protection Agency.

附文2：低静态电流开关瞄准汽车电子设计

现代汽车不断采用越来越复杂的电子系统。而且汽车环境对各类电子设备而言依然恶劣。工作电压范围必须宽，瞬态电压很高，温度偏移量很大，这些条件使得电子系统的日子很难过。此外，性能要求也日趋严格。系统的不同部分需要多种电源电压。典型的导航系统可能具备至少6种电源，包括8.5V、5 V、3.3 V、2.5 V、1.5 V和1.2V。同时，随着部件的增加，空间要求继续收缩。因此，在空间限制和温度需求等因素下，效率在空间受限系统中变得更加关键。当输出电压较低，电流电平超过几百毫安时，使用线性稳压器来生成这些系统电压已经不切实际。因此在过去几年中，主要由于散热限制原因，开关稳压器逐步取代线性稳压器。开关稳压器的好处（包括更高效率、更小尺寸等）胜过了额外的复杂性和EMI考虑因素。

汽车环境中的开关稳压器需要较宽的输入电压-工作电压范围、宽负载范围内的较高效率、正常工作/待机/关闭时的较低静态电流、较小的热阻，以及最小的噪音和EMI发射量。

任何开关稳压器均需要一定的规格，以便在3V~60V的较宽输入电压范围内工作，并在那些能靠14V或42V运行的汽车系统中找到用武之地。60V额定电压为那些箝位电压通常为36V~40V的14V系统提供了良好的裕量。而且这能在未来的42V系统中使用这种器件。因此，可以很容易将面向14V系统的设计升级为面向42V系统的设计，而无需进行重大的重新设计。

在较宽负载范围内的高效率电力转换对于大部分汽车系统都十分重要。例如，对于10 mA~1.2A负载范围内的5V输出，可能会期望电力转换效率达到85%左右。电流较大时，内部开关需要良好的饱和性能――典型情况下，1A时为0.2Ω。为了改善轻载效率，驱动电流要比负载电流小，或与之成正比。此外，偏置引脚（输出能为其供电）可以为内部控制电路供电，从而充分利用降压转换器的电力转换效率。这一偏置电流来自输出（而非输入），这降低了控制电路的输入电源电流，其降低比例为输出电压与输入电压之比。例如，3.3V、100mA输出电流需要的平均输入电流仅为12V、30mA，从而使控制电路需要的输入电流降至最低，并提高轻载效率。

即使汽车在停放时，远程无钥进入 (RKE)、GPS 位置跟踪、报警系统等许多汽车系统应用依然需要持续供电。低静态电流是这些应用的一个主要需求。在输出电流降到大约100 mA以下之前，器件将以正常的持续切换模式运行。电流低于100mA时，开关稳压器必须跳过脉冲来保持稳压。在脉冲之间，开关稳压器可以进入睡眠模式，期间只有一部分内部电路接收电力。在轻载电流状态下，开关稳压器需要自动切换到一种模式，即静态电流降至100mA 以下，供 12V~3.3V 转换器使用。内部参考和“电源良好”电路在睡眠模式下依然工作，以监视输出电压。在关闭期间，静态电流应当低于1mA。

理想状况下，结到管壳热阻应当较低。如果将器件后部与铜相连，并焊接到PCB表面，PCB就可以传导器件的热量。目前普遍采用的四层板配有内部电源层，可以实现接近40℃/W的热阻。那些能将热量迅速传导至金属外壳的高环境温度应用，它们实现的热阻接近典型的10℃/W结到管壳热阻，这有助于扩展有效工作温度范围。

虽然开关稳压器比线性稳压器产生更多噪音，但其效率高得多。只要开关的表现可以预测，结果证明噪音和EMI在许多敏感应用中都能加以管理。如果开关稳压器在正常模式中切换时频率恒定，并且切换边缘清洁、可以预测，没有过冲或高频振荡，就可以使EMI最小化。较小封装以及较高工作频率可以提供较小、紧凑的布局，从而最小化EMI辐射。此外，如果使用具备低等效串联电阻 (ESR) 陶瓷电容的稳压器，就可以使输入和输出电压纹波降至最小，而这些纹波是系统中的额外噪音来源。

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