詳解汽車電源設(shè)計挑戰(zhàn)及考量

電動化、智能化、互聯(lián)化正成為汽車發(fā)展新趨勢，為提升燃油經(jīng)濟性的啟停系統(tǒng)、為增加主動安全性的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、以及作為新一代智能交通基礎(chǔ)的駕駛信息系統(tǒng)等多個電子系統(tǒng)越來越多地被汽車設(shè)計人員所采用，多系統(tǒng)的集成在提升汽車駕乘體驗的同時，也為汽車電源設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。汽車電源須提供更高能效和更低能耗，以配合汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展并符合各種環(huán)境法規(guī)及安全標(biāo)準(zhǔn)。

線性方案對比開關(guān)方案(SMPS)及設(shè)計考量

在電源轉(zhuǎn)換過程中不可避免地會發(fā)熱，穩(wěn)壓器散熱會損失一部分功率，這樣輸出功率就不可能等于輸入功率。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器在此過程中會耗散大部分能量，已無法滿足當(dāng)前高功率需求類的應(yīng)用。我們假定采用線性穩(wěn)壓器時需要2.5 W的額定功率，以及5 V輸出電壓和0.5 A輸出電流，那么需提供6 W的輸入功率，能效(即輸出功率除以輸入功率的比值)僅為41%，損失高達(dá)59%!而同樣情況下，開關(guān)電源僅需2.8 W的輸入功率，能效高達(dá)90%。

因此，設(shè)計工程師可采用開關(guān)電源提高系統(tǒng)能效，但是開關(guān)方案也有弊端，由于其復(fù)雜的反饋回路，外部元件較線性方案多且需要更多的PCB面積，再加上開關(guān)的性質(zhì)導(dǎo)致其降噪性能差，在設(shè)計過程中需從反饋回路設(shè)計、外部元件數(shù)、PCB面積、瞬態(tài)電流及電磁干擾等方面考慮，以減輕其弊端。

1. 反饋回路設(shè)計

為匹配輸出阻抗的后穩(wěn)壓器選擇合適的負(fù)輸入電阻以避免振蕩，達(dá)到穩(wěn)壓輸出的目的;

有效使用仿真工具以了解頻域中的頻率補償;頻率補償可通過選擇單極響應(yīng)控制方案來實現(xiàn)。

2. 外部元件數(shù)

集成的電源開關(guān)可減小布線尺寸，功耗比板外電源開關(guān)更低，且更易于設(shè)計。

3. 線路板面積

減小電感和電容的尺寸，占板面積得以減小，且開關(guān)頻率增加，使能效得以提升，同時減弱PCB電磁輻射和電磁干擾。但需注意盡量使導(dǎo)通和開關(guān)損耗最小化，降低噪聲。

4. 瞬態(tài)電流

將線性穩(wěn)壓器和開關(guān)電源并聯(lián)，可減小瞬態(tài)電流，稱為混合開關(guān)電源;且可根據(jù)線路負(fù)載情況，以恒定的開和關(guān)條件進(jìn)行脈沖頻率調(diào)制。

5. 電磁干擾

減少回路面積，優(yōu)化PCB布局，從而減弱電路間的干擾;

避免由穩(wěn)壓器和系統(tǒng)環(huán)境產(chǎn)生的敏感頻段;

采用擴頻調(diào)制技術(shù)、決定光譜含量和去耦方案降低排放峰值。

在汽車應(yīng)用中，還需考慮到電源管理模塊不斷增長的復(fù)雜性，要求處理更高電流情況的能力、低轉(zhuǎn)儲、雙電池轉(zhuǎn)移乃至需要最小工作電流等等，為系統(tǒng)選擇合適的高能效電源方案。

滿足低壓啟動的混合線性/開關(guān)電源方案

在各國紛紛推行日趨嚴(yán)苛的燃油經(jīng)濟性標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的二氧化碳排放協(xié)議的背景下，啟停系統(tǒng)的市場需求日益增加。所謂啟停系統(tǒng)，即在汽車行駛過程中臨時停車的時候自動熄火，需要繼續(xù)前進(jìn)時系統(tǒng)自動重啟內(nèi)燃機，從而減少發(fā)動機空閑的時間，以減少燃油消耗和二氧化碳排放。

內(nèi)燃機無法自行啟動，需要外力引發(fā)燃燒循環(huán)。這是啟動電機的用途所在，當(dāng)插入點火開關(guān)鑰匙并將開關(guān)扭至“開”，啟動電機啟動。然而，啟動電機轉(zhuǎn)動曲柄發(fā)動引擎需要的電流量非常大，導(dǎo)致在啟動階段汽車電池電壓顯著下降。為避免啟動階段的壓降，可在降壓穩(wěn)壓器和電池供電的LDO之間添加啟停預(yù)升壓器，它基于點火開關(guān)打開和關(guān)閉，以滿足啟停系統(tǒng)的低壓啟動。預(yù)升壓器通常采用大功率集中式多相升壓和分布式小功率單相升壓等方法，用以避免電壓驟降導(dǎo)致的異常，并符合12 V系統(tǒng)的 ISO 16750標(biāo)準(zhǔn)。如安森美半導(dǎo)體的非同步升壓控制器NCV8876，采用2 V至45 V輸入電壓工作，能夠在冷啟動及45 V負(fù)載突降情況下工作，其工作原理是：電池電壓正常時，NCV8876進(jìn)入休眠模式;而當(dāng)電池電壓降至設(shè)定電壓時，NCV8876自動喚醒，開始升壓工作。NCV8876還集成了多種保護(hù)功能，如逐周期限流保護(hù)、斷續(xù)模式過流保護(hù)及過熱關(guān)閉等。其它特性包括：峰值電流檢測、最小COMP電壓鉗位可提高切換時的響應(yīng)速度等，工作溫度范圍-40℃至150℃，非常適合汽車啟停系統(tǒng)應(yīng)用。

ADAS采用混合線性/開關(guān)電源方案增加輸出功率

隨著車輛主動安全系統(tǒng)的重要性的與日俱增， ADAS逐漸從高檔車應(yīng)用擴展至中檔車，它通過協(xié)助駕駛員控制車輛的復(fù)雜過程以提供更安全便利的駕駛體驗如自適應(yīng)巡航控制、盲點監(jiān)控、車道偏離警報、夜視、車道保持協(xié)助、以及具自動轉(zhuǎn)向和制動措施的碰撞警報系統(tǒng)。下一代ADAS將可令駕駛體驗進(jìn)一步自動化，如：用智能手機app協(xié)助自動停車;搭載V2X 通訊系統(tǒng)實現(xiàn)車輛與車輛或車輛與外界環(huán)境的即時信息交換，從而大大緩解交通堵塞，減少交通事故的發(fā)生;通過介質(zhì)雷達(dá)傳感器平臺識別事故隱患，作出靈敏反應(yīng)并自主采取行動，提供多重安全功能的同時降低成本。

圖1：先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)

這就需要配以系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片(SBC), 通過通信技術(shù)如以太網(wǎng)成功連接車輛中的各部分如攝像頭、GPS、雷達(dá)和旋轉(zhuǎn)編碼器來實現(xiàn)。由于ADAS高集成度的復(fù)雜性，系統(tǒng)設(shè)計師需要為其選擇高精度和可定制的電源和功率模塊，為電源部分提供專用功能如看門狗功能、電源監(jiān)控冗余功能以及電壓監(jiān)控功能，以保證符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)的汽車安全完整性 (ASLI) B等級，實現(xiàn)整車功能性安全和更安全的駕駛體驗。

圖2：以太網(wǎng)SBC技術(shù)實現(xiàn)ADAS的集成要求

駕駛信息系統(tǒng)采用開關(guān)電源方案減小瞬態(tài)電流

駕駛信息系統(tǒng)包括車輛內(nèi)外的信息系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及娛樂系統(tǒng)，是汽車發(fā)展的主要部分。油耗、車速、導(dǎo)航、娛樂及ADAS等信息都可通過儀表盤和中控面板向駕駛員顯示。Nvidia、Intel等廠商不斷提升系統(tǒng)集成能力并開發(fā)智能解決方案，通過圖形處理器集成和連接各種不同車輛的功能。由于系統(tǒng)內(nèi)部需要進(jìn)行大量的計算，所以駕駛信息系統(tǒng)屬于高功率應(yīng)用，可采用開關(guān)電源方案。單相/多相SMPS作為用于駕駛信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，可根據(jù)實時使用狀況進(jìn)行動態(tài)電壓調(diào)節(jié)，減少不必要的功耗。安森美半導(dǎo)體的 NCV8901xx系列是集成降壓SMPS的轉(zhuǎn)換器，輸出電流為1.2 A，工作頻率為2 MHz，輸入電壓范圍4.5 V 至36 V，可耐受40 V拋負(fù)載電壓，芯片工作結(jié)溫為-40℃至150℃，體積小，輸出精度高，可在駕駛信息系統(tǒng)中使用。