摘要

　　汽车内的电子技术含量迅速增长是汽车工业的发展趋势之一。先进的系统解决方案在汽车上使用程度越来越高。高性能的半导体产品在汽车组件设计电路板中发挥着关键作用。为了驱动不同的负载（如气门、电机或车灯），过去使用的机电继电器开关逐渐地被新的智能功率开关（IPS）所取代。除开关负载的基本功能外，IPS还带来很多新的优势，例如：使用寿命长、保护和诊断功能以及改进的电磁兼容性。最重要的是，采用最新技术的SMD芯片可以同时焊在电路板上，从而为制造商节省了相当可观的制造成本，而其它的电子组件无法做到这一点。对于数量很大的应用（例如：照明应用或电机控制），需要通过PWM（脉宽调制）信号驱动IPS（继电器开关无法实现这个功能）。本文介绍汽车照明应用中的PWM技术，特别讨论了如何选择PWM频率和占空比以提高性能，以及如何限制电磁干扰对其它系统电路板的影响。

　　引言

　　汽车环境内的电子技术含量正在迅猛增长，许多功能都是由电子算法控制的，若要以成本低廉的解决方案实现高性能的系统，提高汽车的质量、安全性和舒适性，就必须采用电子算法。

　　这种发展趋势导致车用半导体芯片被广泛用于多种应用。

　　在很多应用领域，将先进的高性能低成本芯片用于小功率、中等功率和大功率电源管理的市场需求正在飞速增长。在汽车工业中，能够驱动很多负载的半导体智能功率开关正在淘汰机电式继电器开关，但是IPS必须符合特殊的技术要求，例如：过负载及短路保护、连接单片机的诊断反馈，同时还必须兼容今天驱动电机和卤素灯等负载使用的PWM工作模式。

　　脉宽调制（PWM）概述

　　PWM可以定义为一个通断时间比可变的电压方波。在导通(t_on)期间，直流电源电压被加到负载上；在关断期间，直流电源电压被关闭。导通时间占通断周期的比被称作“占空比”，这个数值通常用希腊字母d表示，占空比的取值范围是0~100%。占空比的变化导致负载上的RMS电压变化，结果引起输送到负载的功率发生变化。

　　如果一个方波的V_H = V，占空比为d，则其RMS电压等于：
　　　　　　V_RMS = Sqr( d ) V

　　图1a所示是一个占空比为10%的PWM输出波形，也就是说，信号保持高电平的时间是通断周期的10%。图1b和1c所示是占空比分别为50%和90% 的脉宽调制波形。使用脉宽调制技术的主要缺点是：必须增加复杂的驱动电路；可能会产生烦人的射频干扰（RFI）；某些情况会提高IPS的功耗。产生脉宽调制信号的方法：
　　● 使用独立的PWM信号发生器       
　　● 微控制器内部的PWM资源
　　● 定时器中断例程驱动的标准微控制器I/O

　　汽车照明应用中的PWM —— 优点和缺点

　　PWM技术与一个集成化的功率开关共同驱动电机或车灯，PWM技术的应用程度越来越高，通常被用于汽车的接线盒或车身控制器内，这些设备含有一个或几个微控制器，以管理PCB电路板上安装的上所有 IPS开关，一块PCB电路板能够驱动多支车灯。实际上，只要合理地使用PWM技术，就能获得很多益处。

　　● 尽管电瓶线路上有可能出现过压现象，但是加在车灯上的电压RMS值仍然能够稳定地保持在额定值上。这一优点大幅度延长了灯泡的使用寿命，极大地方便了车主的生活，同时还提高了汽车厂商的品牌形象。
　　● 因为可以选择适当的占空比（详见下段），所以光的输出量是可以控制的（没有眩光）。
　　● 实现灯泡的“两用功能”。如果一个灯泡坏了，可以驱动另一个额定功率较大的灯泡来临时替代坏灯泡，具体方法是利用脉宽调制技术，把RMS电压降到该灯泡最初的RMS电压值以下。例如，通过设定占空比，一个21W的灯泡可以用作一个相当于5W的备用灯泡。
　　● 日间行车灯（DRL）变光功能，以及前雾灯亮度调节功能。实现DRL功能的方法是，在现有的远光或近光前大灯上应用PWM技术。这种方法的优点是，灯泡数量减少，因此降低了总耗电量；影响灯泡使用寿命的不利因素减少。PWM技术可用于驱动前雾灯功能，即根据方向盘的指向，改变雾灯亮度和光束数量。当方向盘转向某一个方向时，PWM就会提高占空比，以增加该方向的光束数量。同时，另一侧的占空比被降低，雾灯自动降低亮度，方便正面驶来的汽车。
　　● 变光功能还可用于仪表板和车门照明灯。

　　PWM的能效取决于频率和占空比的选择，实际上，PWM技术以及上文提到的优点可能会受到某些因素的制约，在系统设计期间务必对这些制约因素加以考虑。下面以灯泡为例予以说明：
　　● 因为温度波动变化而使灯丝承受的热机械应力
　　● 干扰驾驶员夜间视力的闪烁现象
　　● 电磁噪声对其它车载仪表的影响（EMC问题）
　　● 驱动灯泡的IPS的热损耗越来越大的问题

　　通过正确选择频率和占空比，处理好PWM产生的噪声，就可以有效地限制所有这些不利因素。下文深入讨论这些因素。

　　选择适当的占空比，稳定灯泡的亮度

　　汽车电瓶总线上的电压瞬变是常见现象，例如，关闭一个强电负载，像空调系统，就会导致电压升高。

　　汽车灯泡使用寿命的额定电压通常是V_nom = 13.2V或13.5V，如果通电电压超过额定电压，灯泡使用寿命就会大幅度缩短，见图2。因此，当电瓶电压升高到灯泡额定值以上时，就需要PWM调制技术来保护灯泡。如果占空比等于V_nom /V_batt的电压比，灯泡不能保持稳定的亮度，当电瓶电压升高时，人眼会看见闪烁现象。若想让灯泡保持恒定的亮度，就必须给灯泡供给恒定的功率。如果在PWM期间我们使灯泡的额定功率等于供电功率（这与RMS电压值的平方成正比），并假设电瓶电压固定不变，占空比不会对灯泡电阻产生任何影响，那么我们就得到：

　　　　　　P_nom&n_bsp; = V_nom² / R_lamp = V_RMS² / R_lamp = d V_batt² / R_lamp

　　因此，我们就可以获得一个实现恒定亮度的占空比：
　　　　　　d = ( V_nom / V_batt )²   (1)

　　这个PWM技术通常叫做“平方PWM”或者“二次稳压”。

　　PWM频率选择

　　在选择PWM频率时，必须考虑四个主要问题：一是温度变化而引起的灯丝受到的应力，二是闪烁现象，三是电磁干扰，最后是驱动灯泡的IPS上的功耗。

　　● 灯丝受到的应力

　　灯丝温度的反复变化会产生热机械应力，对灯丝的使用寿命造成影响（灯丝熔断）。这种应力主要取决于灯泡的物理因素，例如：灯丝电阻、辐射系数、灯丝热阻、灯丝热容量、灯丝稳态温度、电阻和电压。

　　为防止灯泡的温度梯度应力，温度变化必须限制在大约50℃内。如果这个条件能够在灯泡的物理模型中实现，就可以计算PWM的最小频率。

　　市场最常见灯泡的PWM频率最低为：
　　● 55W灯泡，30Hz
　　● 21W灯泡，40Hz
　　● 闪烁现象

　　为防止闪烁对人眼的伤害，PWM必须保持一个足够高的频率。对不同的灯泡和人眼感光度的实验研究表明，PWM的最低频率必须保持在60Hz左右。

　　● 驱动灯泡的IPS的功耗

　　PCB电路板装有一个或多个IPS开关，能否正确驱动灯泡，这些开关的热管理性能是一个主要问题。为防止IPS以及PCB温度过高，在设计PCB的散热系统时，须考虑到灯泡的PWM电路引起的额外功耗。

　　利用下面的公式计算IPS消耗的平均总功耗：
　　　　　　P_avg = dP_DC + f ( E_swon + E_swoff )
　　其中:
　　P_DC = 在通态时的功耗
　　E_swon = 开关闭合期间的耗电
　　E_swoff = 开关断开期间的耗电
　　f = PWM频率

　　对于给定的环境温度T_amb，利用下面的公式计算IPS平均结温：
　　　　　　T_javg = T_amb + R_thj-amb P_avg

　　其中R_thj-amb是结与环境之间的热阻，该参数与封装和PCB的散热设计有关（例如：铜层的散热面积和层数）。

　　显而易见，在通态功耗固定的条件下，总功耗随PWM频率提高而增加，而且如果频率过高，总功耗会变得非常大。

　　例如：假如我们考虑用一个ST的120mΩ保护型下桥臂驱动器VNS3NV04（采用ST的M0-3制造工艺，SO-8封装）驱动一支5W的灯泡，其主要参数见表1。

　　例如，如果使用一个二次PWM技术，电池电压达到17V，就必须使用一个0.63的占空比驱动灯泡。利用下面的公式可以计算出开关功耗的大约值：
　　　　　　E_swon = 0.5 ( I V_batt t_r );
　　　　　　E_swon = 0.5 ( I V_batt t_f )

　　利用下面的公式计算通态期间的功耗:
　　　　　　P_DC = R_on(Tj)·I²

　　图3所示是下桥臂驱动器在不同的PWM频率下的功耗和结温。在500Hz时，频率对功耗的影响非常大。如果我们现在考虑一个汽车前大灯常用的16mΩ上桥臂开关，例如，ST的VN5016AJ-E（采用M0-5制造工艺，PowerSSO-12封装），其主要参数见表2。

　　在这个情况中，求E_swon和E_swoff的公式不再适用。稍后我们就会明白，因为内部驱动电路的原因，上桥臂驱动器的开关特征不显示线性斜坡特点。这种驱动器的开关特性比下桥臂驱动器软很多，结果导致开关功耗增加。

　　图4所示是在不同的PWM频率下的开关损耗和结温，在这种情况下，与下桥臂驱动器相比，开关损耗是100Hz ~200Hz频率之间形成总功耗的主要因素。

　　最后，考虑到我们前文提及的各种不同的问题，驱动最常用灯泡，上桥臂驱动器PWM正确的频率应选择大约60Hz~150Hz。

　　PWM开关斜率对EMI的影响

　　在汽车上使用脉宽调制技术引起了传导性和辐射性电磁干扰问题。以给定的频率开关的电流会在负载到电瓶的输电线路上产生波动，这种电流波动现象会干扰车载无线电和其它仪器。

　　频率不得超过几百赫兹只是电磁兼容性（EMC）标准中的一项要求，对于给定的PWM频率，驱动灯泡的IPS的开关波形是另一个严重影响线束内的电流频率和EMC的重要因素。

　　如前文所述，如果削波是降低开关损耗的最佳方法，那么它也是在几百赫兹频带内产生讨厌的辐射以致于干扰汽车AM收音机的祸根。

　　为避免在PCB电路板增加这些附加器件，必须设计开关波形平滑的IPS开关，以降低电瓶上的谐波。图6是ST的两个60Ω上桥臂驱动器（VND830标准型和VND830E改进型）通断的转换比较图。图7是两个驱动器的辐射频谱根据IEC 61967-4标准的比较图。从图中不难看出，新的改进型在100 kHz~1MHz的带宽内大幅度降低了辐射，另一方面，在开关阶段提高了功耗。因此，在设计一个IPS开关时，选择一个正确的波型还需要在最小化电磁干扰和可能会增加实际功耗这两个利弊关系之间进行权衡折衷。

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　　结论

　　本文的主要目的是说明在汽车上运用PWM技术结合智能功率开关驱动卤素灯的主要优点，并介绍了设计优化驱动系统（PCB-IPS-灯泡）所适用的标准，在必须加以考虑以保证整个系统运转良好的诸多参数中，PWM频率是最重要的参数。频率的选择主要与灯泡的物理特性有关。同时我们也讨论了在电瓶过压时占空比对变光和亮度稳定性的影响，最后讨论了EMC问题。选错了IPS可能会在收音机上产生射频干扰，我们还介绍了如何利用开关转换平滑的优化的IPS开关来最大限度降低射频干扰问题。