如何為汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本低廉的電源

汽車電子設(shè)計(jì)在面臨性能、可靠性、上市時(shí)間等多重設(shè)計(jì)要求的條件下，還必須提供更具競(jìng)爭(zhēng)力的成本優(yōu)勢(shì)。本文將針對(duì)這些設(shè)計(jì)要求討論如何為汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本低廉的電源，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)(及重新設(shè)計(jì))、可靠性和芯片成本等問(wèn)題，并探討有關(guān)問(wèn)題的解決辦法。

新款的汽車采用越來(lái)越多精密的電子零件。這種發(fā)展趨勢(shì)使得芯片廠商在開(kāi)發(fā)新芯片時(shí)，將會(huì)面對(duì)很多新的挑戰(zhàn)：汽車電子系統(tǒng)的工作環(huán)境極為惡劣，例如汽車的使用期較長(zhǎng)，工作的溫度范圍很寬；還有電磁干擾和電磁兼容性，甚至機(jī)械性能等問(wèn)題需要解決。在芯片產(chǎn)品的整體成本承受很大的壓力條件下，技術(shù)上還需要像軍品那樣必須符合嚴(yán)格的要求。出廠的汽車必須安全可靠，能長(zhǎng)時(shí)間保持最佳的性能狀態(tài)，才可滿足用戶的要求。此外，汽車的設(shè)計(jì)周期必須縮短，以確保新車可以盡快推出市場(chǎng)。

設(shè)計(jì)流程

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司很早便已推出一套用途非常廣泛的WEBENCH網(wǎng)上設(shè)計(jì)工具，以協(xié)助系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)電源。基于該工具，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師即使對(duì)電源的設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)不深，也可將最高及最低輸入電壓、輸出電壓及電流、溫度范圍等設(shè)計(jì)參數(shù)輸入到WEBENCH，設(shè)計(jì)軟件將根據(jù)這些參數(shù)為他們挑選一些切合其設(shè)計(jì)需要的電源管理芯片。

圖1：氣囊系統(tǒng)電路圖。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師接著可以從這些芯片之中挑選最切合他們需要的一款，其中包括最新推出內(nèi)含電源開(kāi)關(guān)及控制器的Simple Switchers系列開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器芯片。芯片選定之后，WEBENCH的設(shè)計(jì)軟件會(huì)為工程師提供一個(gè)附有電路圖的系統(tǒng)解決方案，以便工程師可以利用電路圖進(jìn)行仿真測(cè)試，以測(cè)試系統(tǒng)的電子特性以至其散熱能力。

WEBENCH網(wǎng)上設(shè)計(jì)工具非常容易使用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師只要利用這套設(shè)計(jì)工具便可迅速完成電源的設(shè)計(jì)。這個(gè)設(shè)計(jì)網(wǎng)站的數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存了數(shù)百款芯片的資料，所有設(shè)計(jì)工具都可支持多種不同的架構(gòu)。設(shè)計(jì)完成之后，工程師可將整個(gè)設(shè)計(jì)與同事或供應(yīng)商參考，他們甚至可以在網(wǎng)上訂購(gòu)原型電路板，供應(yīng)商保證有關(guān)產(chǎn)品幾日內(nèi)便可送到客戶手中，所需的分立元件也會(huì)跟模板一并寄出，工程師只需將分立元件焊在電路板上便可，這樣可確保產(chǎn)品更快推出市場(chǎng)。

使用這套設(shè)計(jì)工具無(wú)需繳付非常昂貴的仿真測(cè)試、授權(quán)費(fèi)。由確定技術(shù)參數(shù)至電路布局的構(gòu)思，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程都可獲得支持。工程師可以挑選合適的芯片進(jìn)行電子及熱性能方面的仿真測(cè)試。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師只要采用這套設(shè)計(jì)工具，便可節(jié)省設(shè)計(jì)及調(diào)試時(shí)間，也為公司節(jié)省更多開(kāi)發(fā)成本。此外，許多公司雖然擅長(zhǎng)設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)，但對(duì)電源的設(shè)計(jì)反而認(rèn)識(shí)不深。以往他們可能需要聘請(qǐng)外面的顧問(wèn)公司才可完成這方面的工作，但現(xiàn)在他們只要采用WEBENCH設(shè)計(jì)工具，便無(wú)需尋求外援，使這方面的開(kāi)支也可節(jié)省下來(lái)。

新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

1. 靜態(tài)電流

汽車工業(yè)的發(fā)展一日千里，新的挑戰(zhàn)不斷涌現(xiàn)。例如，汽車電子系統(tǒng)所要求的靜態(tài)電流標(biāo)準(zhǔn)也越趨嚴(yán)格，越來(lái)越多汽車制造商要求芯片供應(yīng)商為他們提供靜態(tài)電流低于100uA的ECU芯片，這是因?yàn)殪o態(tài)電流如果不夠低，汽車在連續(xù)停泊數(shù)星期之后，車內(nèi)的電池便會(huì)因多日不用而無(wú)法重新啟動(dòng)。解決這個(gè)問(wèn)題的其中一個(gè)方法是縮短電池與ECU芯片之間的供電線路。但啟動(dòng)這個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器仍然會(huì)耗用一定的電量，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器采用金屬氧化半導(dǎo)體(MOS)技術(shù)制造，而開(kāi)關(guān)啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較小電阻。由于要輸出大量電流，因此需要裝設(shè)許多開(kāi)關(guān)，令耗電量也相應(yīng)大增。這個(gè)方案極少采用的原因亦在于此。

2. 負(fù)載突降

第二個(gè)要面對(duì)的問(wèn)題是負(fù)載突降(Load-dump，汽車引擎啟動(dòng)瞬間會(huì)出現(xiàn)負(fù)載突降，將從電池供電轉(zhuǎn)到發(fā)電機(jī)供電，出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間為100mS到500mS的40V到60V的電壓轉(zhuǎn)換)，解決的方法則完全不同。以往國(guó)家半導(dǎo)體的客戶都要求芯片必須設(shè)有過(guò)壓保護(hù)功能。但目前越來(lái)越多汽車電子系統(tǒng)，例如駕駛盤(pán)動(dòng)力操控系統(tǒng)早在點(diǎn)燃引擎時(shí)便已開(kāi)始工作，因此芯片必須能夠在負(fù)載突降時(shí)正常運(yùn)作。正因如此，國(guó)家半導(dǎo)體目前正為低壓降穩(wěn)壓器系列的其中幾個(gè)型號(hào)重新加設(shè)過(guò)壓保護(hù)功能。LM9070、LM9071及LM9072 芯片便是具有這個(gè)功能的幾款低壓降穩(wěn)壓器。對(duì)于輸入電壓范圍更寬的版本，將在這些型號(hào)后面添加 HV 兩個(gè)字母作為識(shí)別。

3. 42伏供電總線

圖2：氣囊系統(tǒng)的電源分配結(jié)構(gòu)-系統(tǒng)電路圖。

預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年內(nèi)，新推出的汽車都會(huì)采用42伏的供電總線。采用42伏供電總線的好處是可以降低汽車的耗電量及電纜的重量。但供電電壓若提高至42伏，電源的轉(zhuǎn)換效率便會(huì)下降，結(jié)果是得不償失。

a. 效率上的考慮

我們?nèi)衾?.3伏的電池為電子系統(tǒng)提供所需的100mA供電，系統(tǒng)的實(shí)際功耗只有330mW。低壓降穩(wěn)壓器芯片若利用12伏電池供電，那么即使不將靜態(tài)電流計(jì)算在內(nèi)，系統(tǒng)的整體功耗也不會(huì)少于12V*100mA=1.2W。以采用42伏電池的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)功耗便等于42V*100mA=4.2W。換言之，低壓降穩(wěn)壓器若利用42伏的電池為電子系統(tǒng)提供穩(wěn)壓供電，其效率比利用傳統(tǒng)的12伏電池低3倍以上。低壓降穩(wěn)壓器的效率與輸出電壓/輸入電壓(Vout/Vin)成正比，其效率(=(Vout*Iout)/(Vin*(Iout+Iq))。但降壓直流/直流轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率會(huì)更高。LM2675芯片若以12伏的輸入電壓工作，效率可高達(dá)90%，若以40伏的輸入電壓工作則可達(dá)82%。LM5007芯片的轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)93%。

b. 功耗方面的考慮

低壓降穩(wěn)壓器芯片的效率很低，較易造成能源的浪費(fèi)，而且所耗散的能量會(huì)積聚在一起，令周圍環(huán)境溫度上升，以致芯片的結(jié)溫也會(huì)隨著上升。我們可以利用以下的公式計(jì)算出溫度的大約上升幅度：

P(浪費(fèi)掉的功率)=(Tj-Ta)/((j,a)=(Vin-Vout)*Iout

c. 可滿足未來(lái)需要的芯片設(shè)計(jì)