高性能汽車電源設(shè)計(jì)

高可靠性、低成本、極短的研發(fā)周期等等相互沖突的設(shè)計(jì)要求迫使電源設(shè)計(jì)人員采用新的具有突破性的技術(shù)方案，而這些技術(shù)是傳統(tǒng)的汽車電源設(shè)計(jì)中不曾涉足的。

汽車電源設(shè)計(jì)的基本原則

大多數(shù)汽車電源架構(gòu)需要遵循六項(xiàng)基本原則：

1）輸入電壓范圍VIN：12V電池電壓的瞬間波動(dòng)范圍決定了電源轉(zhuǎn)換IC的輸入電壓范圍。

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。

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)。

精心設(shè)計(jì)的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的效率通常高于線性穩(wěn)壓器，較高的轉(zhuǎn)換效率可以省去電源設(shè)計(jì)中的大尺寸散熱片和大的封裝外形。多數(shù)廉價(jià)的小尺寸裸焊盤封裝即可在85℃時(shí)耗散2W功率，在125℃時(shí)耗散1W功率。20W以上的大功率設(shè)計(jì)對(duì)于熱管理要求比較嚴(yán)格，需要采用同步整流架構(gòu)。高效率的外部MOSFET控制器有助于改善電源的散熱能力。

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，從汽車電池消耗的總電流也不斷增長。即使當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作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。

4）成本控制：OEM廠商需要折中考慮模塊成本、開發(fā)/認(rèn)證成本、產(chǎn)品上市時(shí)間以及規(guī)格指標(biāo)。在成本允許的前提下保證最優(yōu)設(shè)計(jì)，電源部分的材料清單在成本上可能占據(jù)非常重要的地位。

模塊成本與PCB類型、散熱片、器件布局及其設(shè)計(jì)因素有關(guān)。例如，用FR-4 4層板代替CM-3單層板對(duì)于PCB的散熱會(huì)產(chǎn)生很大差異。

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：一個(gè)工作電路所產(chǎn)生的電磁干擾可能導(dǎo)致另一個(gè)電路無法正常運(yùn)行。例如，無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。