詳述汽車電源設(shè)計(jì)的六個(gè)基本原則

　　多數(shù)汽車的電源架構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)都要遵循最基本的原則，但不是每個(gè)設(shè)計(jì)師都對(duì)這些原則有很透徹的了解。本文將對(duì)汽車電源設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的六大基本原則進(jìn)行一一的講解，讓設(shè)計(jì)師的基本功更加扎實(shí)。

　　以下是汽車電源架構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)需要遵循的六項(xiàng)基本原則。

　　1、輸入電壓VIN范圍：12V電池電壓的瞬變范圍決定了電源轉(zhuǎn)換IC的輸入電壓范圍

　　典型的汽車電池電壓范圍為9V至16V，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)，汽車電池的標(biāo)稱電壓為12V;發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，電池電壓在14.4V左右。但是，不同條件下，瞬態(tài) 電壓也可能達(dá)到±100V。ISO7637-1行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義了汽車電池的電壓波動(dòng)范圍。圖1和圖2所示波形即為ISO7637標(biāo)準(zhǔn)給出的部分波形，圖中顯 示了高壓汽車電源轉(zhuǎn)換器需要滿足的臨界條件。除了ISO7637-1，還有一些針對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)定義的電池工作范圍和環(huán)境。大多數(shù)新的規(guī)范是由不同的OEM 廠商提出的，不一定遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但是，任何新標(biāo)準(zhǔn)都要求系統(tǒng)具有過(guò)壓和欠壓保護(hù)。

　　2、散熱考慮：散熱需要根據(jù)DC-DC轉(zhuǎn)換器的最低效率進(jìn)行設(shè)計(jì)

　　空氣流通較差甚至沒有空 氣流通的應(yīng)用場(chǎng)合，如果環(huán)境溫度較高(> 30°C)，外殼存在熱源(> 1W)，設(shè)備會(huì)迅速發(fā)熱(> 85°C)。例如，大多數(shù)音頻放大器需要安裝在散熱片上，并需要提供良好的空氣流通條件以耗散熱量。另外，PCB材料和一定的覆銅區(qū)域有助于提高熱傳導(dǎo)效 率，從而達(dá)到最佳的散熱條件。如果不使用散熱片，封裝上的裸焊盤的散熱能力限制在2W至3W (85°C)。隨著環(huán)境溫度升高，散熱能力會(huì)明顯降低。

　　將電池電壓轉(zhuǎn)換成低壓(例如：3.3V)輸出時(shí)，線性穩(wěn)壓器將損耗75%的輸入功率，效率極低。為了提供1W的輸出功率，將會(huì)有3W的功率作為熱量消耗 掉。受環(huán)境溫度和管殼/結(jié)熱阻的限制，將會(huì)明顯降低1W最大輸出功率。對(duì)于大多數(shù)高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，輸出電流在150mA至200mA范圍時(shí)，LDO 能夠提供較高的性價(jià)比。

　　將電池電壓轉(zhuǎn)換成低壓(例如：3.3V)，功率達(dá)到3W時(shí)，需要選擇高端開關(guān)型轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器可以提供30W以上的輸出功率。這也正是汽車電源制造商通常選用開關(guān)電源方案，而排斥基于LDO的傳統(tǒng)架構(gòu)的原因。

　　大功率設(shè)計(jì)(> 20W)對(duì)于熱管理要求比較嚴(yán)格，需要采用同步整流架構(gòu)。為了獲得高于單個(gè)封裝的散熱能力，避免封裝“發(fā)熱”，可以考慮使用外部MOSFET驅(qū)動(dòng)器。

　　3、靜態(tài)工作電流(IQ)及關(guān)斷電流(ISD)

　　隨著汽車中電子控制單元(ECU)數(shù)量的快速增長(zhǎng)，從汽車電池消耗的總電流也不斷增長(zhǎng)。即使當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉并且電池電量耗盡時(shí)，有些ECU單元仍然保持工 作。為了保證靜態(tài)工作電流IQ在可控范圍內(nèi)，大多數(shù)OEM廠商開始對(duì)每個(gè)ECU的IQ加以限制。例如歐盟提出的要求是：100μA/ECU。絕大多數(shù)歐盟 汽車標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定ECU的IQ典型值低于100μA。始終保持工作狀態(tài)的器件，例如：CAN收發(fā)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和微控制器的電流損耗是ECU IQ的主要考慮因素，電源設(shè)計(jì)需要考慮最小IQ預(yù)算。

　　4、成本控制：OEM廠商對(duì)于成本和規(guī)格的折中是影響電源材料清單的重要因素

　　對(duì)于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，成本是設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素。PCB類型、散熱能力、允許選擇的封裝及其它設(shè)計(jì)約束條件實(shí)際受限于特定項(xiàng)目的預(yù)算。例如，使用4層板FR4和單層板CM3，PCB的散熱能力就會(huì)有很大差異。

　　項(xiàng)目預(yù)算還會(huì)導(dǎo)致另一制約條件，用戶能夠接受更高成本的ECU，但不會(huì)花費(fèi)時(shí)間和金錢用于改造傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)。對(duì)于一些成本很高的新的開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)人員只是簡(jiǎn)單地對(duì)未經(jīng)優(yōu)化的傳統(tǒng)電源設(shè)計(jì)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單修整。

　　5、位置/布局：在電源設(shè)計(jì)中PCB和元件布局會(huì)限制電源的整體性能

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路板布局、噪聲靈敏度、多層板的互連問(wèn)題以及其它布板限制都會(huì)制約高芯片集成電源的設(shè)計(jì)。而利用負(fù)載點(diǎn)電源產(chǎn)生所有必要的電源也會(huì)導(dǎo)致高成本，將眾多元件集于單一芯片并不理想。電源設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)具體的項(xiàng)目需求平衡整體的系統(tǒng)性能、機(jī)械限制和成本。

　　6、電磁輻射

　　隨時(shí)間變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，輻射強(qiáng)度取決于場(chǎng)的頻率和幅度，一個(gè)工作電路所產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)直接影響另一電路。例如，無(wú)線電頻道的干擾可能導(dǎo)致安全氣囊的誤動(dòng)作，為了避免這些負(fù)面影響，OEM廠商針對(duì)ECU單元制定了最大電磁輻射限制。

　　為保持電磁輻射(EMI)在受控范圍內(nèi)，DC-DC轉(zhuǎn)換器的類型、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、外圍元件選擇、電路板布局及屏蔽都非常重要。經(jīng)過(guò)多年的積累，電源IC設(shè)計(jì)者研究出了各種限制EMI的技術(shù)。外部時(shí)鐘同步、高于AM調(diào)制頻段的工作頻率、內(nèi)置MOSFET、軟開關(guān)技術(shù)、擴(kuò)頻技術(shù)等都是近年推出的EMI抑制方案。

　　應(yīng)用與功率需求

　　大多數(shù)系統(tǒng)電源的基本架構(gòu)選擇應(yīng)從電源要求以及汽車廠商定義的電池電壓瞬變波形入手。對(duì)于電流的要求應(yīng)該反映到電路板的散熱設(shè)計(jì)。表1歸納了大多數(shù)設(shè)計(jì)的電路及電壓要求。

　　通用電源的拓?fù)?/strong>架構(gòu)

　　這里列出了四種常用的電源架構(gòu)，總結(jié)了最近三年汽車領(lǐng)域的典型設(shè)計(jì)架構(gòu)。當(dāng)然，用戶可以通過(guò)不同方式實(shí)現(xiàn)具體的設(shè)計(jì)要求，多數(shù)方案可歸納為這四種結(jié)構(gòu)中的一種。

　　方案 1

　　該架構(gòu)為優(yōu)化DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率、布局、PCB散熱及噪聲指標(biāo)提供了一種靈活設(shè)計(jì)。方案1的主要優(yōu)勢(shì)是：

　　增加核設(shè)計(jì)的靈活性。即使不是最低成本/最高效率的解決方案，增加一個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器有助于重復(fù)利用原有設(shè)計(jì)。

　　有助于合理利用開關(guān)電源和線性穩(wěn)壓器。例如，相對(duì)于直接從汽車電池降壓到1.8V，從3.3V電壓產(chǎn)生1.8V300mA的電源效率更高、成本也更低。

　　分散PCB的熱量，這為選擇轉(zhuǎn)換器的位置及散熱提供了靈活性。

　　允許使用高性能、高性價(jià)比的低電壓模擬IC，與高壓IC相比，這種方案提供了更寬的選擇范圍。

　　方案1的缺點(diǎn)是：較大的電路板面積、成本相對(duì)較高、對(duì)于有多路電源需求的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)過(guò)于復(fù)雜。

　　方案 2

　　該方案是高集成度與設(shè)計(jì)靈活性的折衷，與方案1相比，在成本、外形尺寸和復(fù)雜度方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。特別適合2路降壓輸出并需要獨(dú)立控制的方案。例 如，要求3.3V電源不間斷供電，而在需要時(shí)可以關(guān)閉5V電源，以節(jié)省IQ電流。另一種應(yīng)用是產(chǎn)生5V和8V電源，利用這種方案可以省去一個(gè)從5V電壓升 壓的boost轉(zhuǎn)換器。

　　采用外置MOSFET的兩路輸出控制器可以提供與方案相同的PCB布板靈活性，便于散熱。內(nèi)置MOSFET的轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意不要在PCB的同一位置耗散過(guò)多的熱量。

　　方案 3

　　這一架構(gòu)把多路高壓轉(zhuǎn)換問(wèn)題轉(zhuǎn)化成一路高壓轉(zhuǎn)換和一個(gè)高度集成的低壓轉(zhuǎn)換IC，相對(duì)于多輸出高壓轉(zhuǎn)換IC，高集成度低壓轉(zhuǎn)換IC成本較低，且容易從市場(chǎng)上得到。如果方案3中的低壓PMIC有兩路以上輸出，那么方案3將存在與方案4相同的缺陷。

　　方案3的主要劣勢(shì)是多路電壓集中在同一芯片，布板時(shí)需要慎重考慮PCB散熱問(wèn)題。

　　方案 4

　　最新推出的高集成度PMIC可以在單芯片上集成所有必要的電源轉(zhuǎn)換和管理功能，突破了電源設(shè)計(jì)中的諸多限制。但是，高集成度也存在一定的負(fù)面影響。

　　在高集成度PMIC中，集成度與驅(qū)動(dòng)能力總是相互矛盾。例如，在產(chǎn)品升級(jí)時(shí)，原設(shè)計(jì)中內(nèi)置MOSFET的穩(wěn)壓器可能無(wú)法滿足新設(shè)計(jì)中的負(fù)載驅(qū)動(dòng)要求。

　　把低壓轉(zhuǎn)換器級(jí)聯(lián)到高壓轉(zhuǎn)換器有助于降低成本，但這種方式受限于穩(wěn)壓器的開/關(guān)控制。例如，如果5V電源關(guān)閉時(shí)必須開啟3.3V電源，就無(wú)法將3.3V輸入連接到5V電源輸出;否則將不能關(guān)閉5V電源，造成較高的靜態(tài)電流IQ。