未來車輛需要使用更多科技

電子系統的價值以往僅佔整部車輛的百分之一，但今日的消費者要求更多科技，而技術能力的提升，使得汽車所需的電子控制元件 (ECU) 數節節攀升。舉例而言，如今高階汽車可能需要多達 100 個 ECU 和高達 1 億行程式碼，遠高於過去汽車的需求，也證明了 ECU 在汽車組成上的重要性。

電力日漸成為高階油電混合車 (HEV) 及電動車 (EV) 的動力來源，可減少 CO₂ 排放，也致使電子系統取代手動和機動元件。所有這些改變，必定讓未來的行車與今日的運輸大為不同。排放最佳化的 HEV 與自駕式零排放的 EV，不僅在車輛系統內進行通訊，也與城巿和道路基礎建設以及其他車輛進行通訊。Texas Instruments (TI) 的白皮書，《驅動綠色運輸革命》(Driving the Green Revolution in Transportation)，進一步詳細探討了 HEV 和 EV 優勢。

消費者對 HEV 和 EV 需求突增有幾項主要因素：

• 內燃機引擎環保法規的壓力
• 電傳動系統和電池技術的進步
• 消費者對便利性與車用資訊娛樂功能的期望

這些創新技術對功率負載的需求日漸增加，傳統的 12 V 鉛酸電池蓄電量就成為妨礙進步的主要因素。為了滿足更高的電氣化需求，汽車業想出了一套解決方案。業者開發出 48 V 次要電氣系統，能比單靠 12 V 傳統電池提供更多的電力。這些高電壓系統要求進行大量隔離，以達到安全性與絕緣控制，防止駕駛和乘客受到電擊，同時避免破壞系統的安全性。

TI 提供許多解決方案和設計輔助工具，可協助克服這些設計難題，創造更安全且更有效率的運輸系統。以下為一些精選的零件和公版設計。

TIDA – Texas Instruments 公版設計

TIDA-03040 – 車用分流器式 ±500 A 精確型電流感測公版設計：這項 TI 的分流器式電流感應器公版設計 (圖 1) 在 -40°C 至 +125°C 溫度範圍內可提供大於 0.2% 的 FSR 精確度。許多汽車應用都要求精確的電流感測，包括電池管理系統和馬達電流等。在這些重要應用中，準確度不良通常由非線性、溫度漂移和分流容差引起。此設計透過使用 TI 的電流分流監視器 (INA240) 和訊號調整器 (PGA400-Q1)，解決了這些問題。

圖 1：Texas Instruments 的 TIDA-03040 公版設計方塊圖，適用於車用分流器式 ±500 A 精確型電流感應器。(圖片來源：Texas Instruments)

TIDA-03050 - 車用 mA 至 kA 範圍電流分流感測器公版設計：此公版設計使用匯流排式分流電阻來偵測 mA 至 KA 範圍內的電流。EV 和 HEV 對高容量電池不斷提升的需求，推動了更大操作電流範圍，以及可監測需求的高精確度電流感測器。由於系統存在大量的噪音，因此精準測量三個數量級的電流 (mA 至 A，1 A 至 100 A 及 100 A 至 1,000 A) 非常困難。為了解決這個問題，此設計採用 TI 的高解析度類比數位轉換器 (ADC) 和高準確度電流分流監視器。

TIDA-01604 - 用於 HEV/EV 板載充電器且效率達 98.6% 的 6.6 kW 圖騰柱 PFC 公版設計：此公版設計的基本原理，是透過 C2000 MCU 使用 SiC 隔離式閘極驅動器來驅動碳化矽 (SiC) MOSFET (圖 2)。此設計採用三相交錯，以連續導通模式 (CCM) 作業，在 240 V 輸入及 6.6 kW 全功率時的效率可達 98.46%。由於 C2000 MCU 啟用了切相和自適應失效時間控制功能，因而改善了輕量負載功率因數。閘極驅動板 (參見下面討論的 TIDA-01605) 在實作強化隔離和承受超過 100 V/ns 的共模暫態耐受性 (CMTI) 下，可提供 4 A 的流出電流和 6 A 的流入峰值電流。此外，閘極驅動板還含有二階關閉電路，可在發生短路時預防 MOSFET 因電壓過衝而受損。

圖 2：Texas Instruments 的 TIDA-01604 公版設計，用於 HEV/EV 板載充電器。(圖片來源：Texas Instruments)

TIDA-01605 - 具有二階關閉保護功能的車用雙通道 SiC MOSFET 閘極驅動器公版設計：此 TI 公版設計是符合汽車標準的隔離式閘極驅動器解決方案，可於半橋配置中驅動 SiC MOSFET。此設計含有兩個用於雙通道隔離式閘極驅動器的推挽式偏壓電源，每個電源可提供 +15 V 和 -4 V 輸出電壓，以及 1 W 的輸出功率。如前面所述，此閘極驅動器可提供 4 A 流出電流及 6 A 流入峰值電流。此設計有強化隔離能力，可承受 8 kV 峰值和 5.7 kV RMS 隔離電壓，且 CMTI >100 V/ns。同樣如前文所述，此電路板含有二階關閉電路，可在發生短路時，預防 MOSFET 因電壓過衝而受損。此設計具有 DESAT 偵測閾值和第二階段關閉延遲時間，兩者均可設定。為了介接失敗與重置訊號，採用 ISO7721-Q1 數位隔離器作為介面。整體而言，此公版設計適合 40 × 40 mm 小尺寸的雙層印刷電路板 (PCB)。

TIDA-01168 - 適用於 12 V/48 V 車用系統的雙向 DC-DC 轉換器公版設計：此公版設計具有 4 相位雙向 DC-DC 轉換器開發平台功用，適用於 12 V/48 V 車用系統。此系統使用一個 TMS320F28027F MCU 及兩個 LM5170-Q1 電流控制器進行功率級控制。C2000 MCU 提供電壓回饋，LM5170-Q1 子系統則使用平均電流回饋進行電流控制。使用這種控制架構可免除多相位轉換器常用的相位電流平衡。以 LM5170-Q1 為基礎的系統可實作高度整合，減少 PCB 面積、簡化設計並加速開發。

產品

ISO7731-Q1：ISO773x-Q1 元件系列為高效能的三通道數位隔離器，具有 5,000 VRMS (DW 封裝) 及 3000 VRMS (DBQ 封裝) 隔離額定值，並且符合 UL 1577 標準。此系列具有符合 CQC、CSA、TUV 及 VDE 標準的強化絕緣等級。這些元件能以低功率提供高電磁耐受性和低輻射，同時隔離 CMOS 或 LVCMOS 數位 I/O。在每個隔離通道中，邏輯輸入和輸出緩衝器由二氧化矽 (SiO₂) 材質的絕緣屏障分隔。元件的致能引腳可用於將相應輸出置於高阻抗狀態，以用於多主控驅動應用及減少功耗。ISO7730-Q1 元件含有三個相同方向的通道，ISO7731-Q1 元件則有兩個前向通道和一個逆向通道。失去輸入功率或訊號時，尾碼有「F」之元件的預設輸出為低電平，尾碼無「F」的元件則為高電平。

UCC21520-Q1：此元件是隔離式雙通道閘極驅動器 (圖 3)，具有 4 A 流出電流和 6 A 流入峰值電流。此元件專為驅動高達 5 MHz 的功率 MOSFET、SiC MOSFET 和 IGBT 所設計，具有極低的傳播延遲和脈寬失真。輸入側與兩個輸出驅動器由 5.7 kVRMS 強化隔離屏障層隔離，且 CMTI 的最小值為 100 V/ns。兩個二次側驅動器之間具有內部功能隔離，能讓工作電壓達到最高 1500 VDC。此元件的設計允許將每個驅動器配置成兩個低側驅動器、兩個高側驅動器，或配置成一個具備可編程失效時間 (DT) 的半橋式驅動器。兩個輸出可透過停用引腳同時關閉，在開路或接地時則允許元件正常作業。作為防故障措施，主側邏輯故障時會強制兩個輸出為低電平。

圖 3：Texas Instruments 的 UCC21520-Q1 隔離式雙通道閘極驅動器功能方塊圖。(圖片來源：Texas Instruments)

UCC21222-Q1：此隔離式雙通道閘極驅動器具有可編程失效時間和寬廣溫度範圍，能在極端溫度條件下展現出一致的效能和耐用性。此元件採用 4 A 流出峰值電流和 6 A 流入峰值電流，來驅動功率 MOSFET、IGBT 和 GaN 電晶體。UCC21222-Q1 具有多種配置，包括兩個低側驅動器、兩個高側驅動器，或一個半橋式驅動器。5 ns 的延遲匹配效能允許並聯兩個輸出，能在高負載條件下獲得雙倍的驅動強度，而無內部擊穿風險。兩個輸出驅動器透過一個 3.0 kVRMS 隔離屏障層與輸入側隔離，且 CMTI 的最小值為 100 V/ns。

LM5170-Q1：LM5170-Q1 控制器針對車用 48 V 和 12 V 雙電池系統的雙通道雙向轉換器，提供必要的高電壓和精密元件。為此，控制器以 DIR 輸入訊號指定的方向，調節高電壓和低電壓連接埠之間的平均電流。電流調節位準可透過類比或數位 PWM 輸入編程設定。雙通道差動電流感測放大器和專用通道電流監測器可達到 1% 的典型電流準確度。5 A 半橋式閘道驅動器可驅動並聯的 MOSFET 開關，其中每通道可提供 500 W 以上的功率。此外，同步整流器的二極體模擬模式不僅能防止負電流，還能啟用不連續模式作業，提升輕量負載的效率。此元件還具備多種保護功能，包括 MOSFET 故障偵測、HV 和 LV 連接埠過電壓保護、逐週期電流限制及過熱保護。

INA301-Q1：此元件包含高共模電流感測放大器和高速比較器，可設定為提供過電流保護。方法是測量電流感測或電流分流電阻兩側的電壓，再將結果與定義的閥值限制比較。INA301-Q1 具有可調式限制閥值範圍，此範圍可利用單一外部限制設定電阻進行設定。此電流分流監視器可在 0 V 至 36 V 的共模電壓範圍內測量差動電壓訊號，且不受電源電壓影響。開汲極警示輸出可以設定為以透通模式操作，讓輸出狀態依循輸入狀態，或以閂鎖模式操作，在閂鎖重置時清除警示輸出。若元件警示回應時間為低於 1 µs，將會啟用對過電流事件的快速偵測。

INA240-Q1：INA240-Q1 是符合汽車標準的電壓輸出、電流感測放大器，具有增強型 PWM 拒斥功能，能在 -4 V 至 80 V 的寬共模電壓範圍內感測分流器電阻上的壓降，且不受電源電壓影響。負共模電壓的優勢在於，允許元件以低於接地電壓作業，以因應典型螺線管應用的返馳期間。元件的增強型 PWM 拒斥功能，可在採用 PWM 訊號的系統 (如馬達驅動器和螺線管控制系統) 中，大幅抑制高共模暫態 (ΔV/Δt)。此功能可確保獲得精確的電流測量值，同時輸出電壓不會出現較大的暫態和相關的恢復漣波。INA240-Q1 由 2.7 V 至 5.5 V 的單一電源供應器供電，且最多消耗 2.4 mA 電流。目前有四種固定增益：20 V/V、50 V/V、100 V/V 及 200 V/V。元件採用低偏移和零漂移架構，能在分流器上的最大壓降低至 10 mV (滿量程) 的情況下，支援電流感測功能。等級 1 版本採用 8 引腳 TSSOP 和 8 引腳 SOIC 封裝，具有 -40°C 至 +125°C 的寬操作溫度範圍。等級 0 版本僅採用 8 引腳 SOIC 封裝，具有 -40°C 至 +150°C 的寬操作溫度範圍。

AMC1305M05-Q1：這是高精確度三角積分 (ΔΣ) 調變器，含有電容式雙隔離屏障層，因此抗電磁干擾能力高，能將輸出自輸入電路隔離 (圖 4)。隔離屏障層經過認證，可提供高達 7,000 VPEAK 的強化隔離，符合 DIN V VDE V 0884-10、UL1577 和 CSA 標準。當 AMC1305M05-Q1 與隔離式電源供應器配對時，可防止高共模電壓線上可能出現的雜訊電流進入本機系統接地，以免干擾或損壞低電壓電路。此元件已針對直接連線至分流電阻或其他低電壓位準訊號來源最佳化，可提供優異的 AC 和 DC 效能。一般而言，分流電阻能感測板載充電器、牽引逆變器或其他此類汽車應用的電流。降頻取樣位元流時，若使用恰當的數位濾波器 (如 TMS320F2837x 內建的濾波器)，在 78 kSPS 的數據傳輸率下，元件可達到 16 位元的解析度及 85 dB 的動態範圍 (13.8 ENOB)。

圖 4：Texas Instruments 的 AMC1305M05-Q1 高精密度三角積分 (ΔΣ) 調變器的簡化線路圖。(圖片來源：Texas Instruments)

TMS320F28069M：符合汽車標準的 F2806x Piccolo 系列 MCU，包含了 C28x 核心、CLA 的威力，並且高度整合控制周邊裝置，納入低引腳數裝置中。這些元件的程式碼相容於前一代 C28x 架構程式碼，具有高度的類比整合度。其他功能包括透過內部穩壓器實作單軌作業，以及改進 HRPWM 模組實作雙緣控制 (調頻)。此外，元件還新增了具有內部 10 位元參考的類比比較器，可直接進行走線，以控制 ePWM 輸出。ADC 可在 0 V 至 3.3 V 的固定滿量程範圍內進行轉換，並支援 VREFHI/VREFLO 參考值的比例運算。ADC 介面已經過最佳化，具有低開銷及延遲。

ISO1042-Q1：此元件是電流隔離的控制器區域網路 (CAN) 收發器，符合 ISO11898-2 (2016) 標準的規範。ISO1042-Q1 具有 ±70 VDC 匯流排故障保護功能，共模電壓範圍為 ±30 V，在 CAN FD 模式下可支援高達 5 Mbps 數據傳輸率，能提供遠高於傳統 CAN 的酬載傳輸速度。此元件含有 SiO2 絕緣屏障層，該屏障層的耐受電壓為 5,000 VRMS，工作電壓為 1,060 VRMS。為符合系統級的 ESD、EFT、突波及輻射合規性，已大幅增強 ISO1042-Q1 的電磁相容性。與隔離式電源供應器配對時，此元件可抵禦高電壓並防止匯流排的雜訊電流進入本機接地。ISO1042-Q1 提供基本和強化隔離應用，可支援 -40°C 至 +125°C 的寬廣環境溫度範圍。此元件採用兩種封裝尺寸：SOIC-16 (DW) 封裝和更為小巧的 SOIC-8 (DWV) 封裝。

結論

汽車產業的前景一片光明。但在環保法規和消費者要求更多車輛功能之下，設計將趨於複雜。為了支援這些功能，Texas Instruments 目前已備有各式公版設計和產品，有助於減少設計時間，更快地將這些未來汽車設計帶給消費者。