高性能汽車(chē)電源設計的發(fā)展趨勢

中心議題：

汽車(chē)電源設計的六項基本原則

實(shí)際應用與功率需求

解決方案：

根據DC-DC轉換器的最低效率設計散熱

控制好靜態(tài)工作電流(IQ)及關(guān)斷電流(ISD)

設計中PCB和元件布局平衡整體的系統性能

2012年，歐洲、日本和美國的汽車(chē)市場(chǎng)將有超過(guò)半數的汽車(chē)安裝彩色顯示器、導航系統、衛星通信以及其它車(chē)載信息娛樂(lè )系統，因此，2012年汽車(chē)市場(chǎng)的電源需求將于傳統設計有很大差異。

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

汽車(chē)電源設計的六項基本原則

大多數汽車(chē)電源架構需要遵循六項基本原則：

1.輸入電壓VIN范圍：12V電池電壓的瞬變范圍決定了電源轉換IC的輸入電壓范圍。

典型的汽車(chē)電池電壓范圍為9V至16V，發(fā)動(dòng)機關(guān)閉時(shí)，汽車(chē)電池的標稱(chēng)電壓為12V;發(fā)動(dòng)機工作時(shí)，電池電壓在14.4V左右。但是，不同條件下，瞬態(tài)電壓也可能達到±100V。ISO7637-1行業(yè)標準定義了汽車(chē)電池的電壓波動(dòng)范圍。圖1和圖2所示波形即為ISO7637標準給出的部分波形，圖中顯示了高壓汽車(chē)電源轉換器需要滿(mǎn)足的臨界條件。

除了ISO7637-1，還有一些針對燃氣發(fā)動(dòng)機定義的電池工作范圍和環(huán)境。大多數新的規范是由不同的OEM廠(chǎng)商提出的，不一定遵循行業(yè)標準。但是，任何新標準都要求系統具有過(guò)壓和欠壓保護。

圖1.冷啟動(dòng)電壓波形

圖2.拋負載電壓波形

2.散熱考慮：散熱需要根據DC-DC轉換器的最低效率進(jìn)行設計。

空氣流通較差甚至沒(méi)有空氣流通的應用場(chǎng)合，如果環(huán)境溫度較高(>30°C)，外殼存在熱源(>1W)，設備會(huì )迅速發(fā)熱(>85°C)。例如，大多數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域有助于提高熱傳導效率，從而達到最佳的散熱條件。如果不使用散熱片，封裝上的裸焊盤(pán)的散熱能力限制在2W至3W(85°C)。隨著(zhù)環(huán)境溫度升高，散熱能力會(huì )明顯降低。

將電池電壓轉換成低壓(例如：3.3V)輸出時(shí)，線(xiàn)性穩壓器將損耗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/結熱阻的限制，將會(huì )明顯降低1W最大輸出功率。對于大多數高壓DC-DC轉換器，輸出電流在150mA至200mA范圍時(shí)，LDO能夠提供較高的性?xún)r(jià)比。

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

大功率設計(>20W)對于熱管理要求比較嚴格，需要采用同步整流架構。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驅動(dòng)器。

3.靜態(tài)工作電流(IQ)及關(guān)斷電流(ISD)：

隨著(zhù)汽車(chē)中電子控制單元(ECU)數量的快速增長(cháng)，從汽車(chē)電池消耗的總電流也不斷增長(cháng)。即使當發(fā)動(dòng)機關(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，大多數OEM廠(chǎng)商開(kāi)始對每個(gè)ECU的IQ加以限制。例如歐盟提出的要求是：100µA/ECU。絕大多數歐盟汽車(chē)標準規定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ECUIQ的主要考慮因素，電源設計需要考慮最小IQ預算。

4.成本控制：OEM廠(chǎng)商對于成本和規格的折中是影響電源材料清單的重要因素。

對于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，成本是設計中需要考慮的重要因素。PCB類(lèi)型、散熱能力、允許選擇的封裝及其它設計約束條件實(shí)際受限于特定項目的預算。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。

項目預算還會(huì )導致另一制約條件，用戶(hù)能夠接受更高成本的ECU，但不會(huì )花費時(shí)間和金錢(qián)用于改造傳統的電源設計。對于一些成本很高的新的開(kāi)發(fā)平臺，設計人員只是簡(jiǎn)單地對未經(jīng)優(yōu)化的傳統電源設計進(jìn)行一些簡(jiǎn)單修整。

5.位置/布局：在電源設計中PCB和元件布局會(huì )限制電源的整體性能。

結構設計、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計。而利用負載點(diǎn)電源產(chǎn)生所有必要的電源也會(huì )導致高成本，將眾多元件集于單一芯片并不理想。電源設計人員需要根據具體的項目需求平衡整體的系統性能、機械限制和成本。

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(xiàn)電頻道的干擾可能導致安全氣囊的誤動(dòng)作，為了避免這些負面影響，OEM廠(chǎng)商針對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，DC-DC轉換器的類(lèi)型、拓撲結構、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設計者研究出了各種限制EMI的技術(shù)。外部時(shí)鐘同步、高于A(yíng)M調制頻段的工作頻率、內置MOSFET、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、擴頻技術(shù)等都是近年推出的EMI抑制方案。

應用與功率需求

大多數系統電源的基本架構選擇應從電源要求以及汽車(chē)廠(chǎng)商定義的電池電壓瞬變波形入手。對于電流的要求應該反映到電路板的散熱設計。表1歸納了大多數設計的電路及電壓要求。

表1.通用電源及電壓要求¹

通用電源的拓撲架構

圖3.電源結構選項：Reg1：8V(CD/DVD驅動(dòng)器);Reg2：5V(µC);Reg3：3.3V(µC);Reg4：2.5V/1.8V(DSP);Reg5：1.2V(存儲器)。

與數字CMOS工藝類(lèi)似，模擬BiCMOS也在不斷地縮小設計的幾何尺寸，以求獲得最佳的投資回報，降低工藝開(kāi)發(fā)的風(fēng)險。但是，工藝優(yōu)化的方向并不符合汽車(chē)應用的需求。例如：大多數集成工藝針對降低5.5V至6V輸入電壓范圍的器件成本進(jìn)行優(yōu)化，但尚未對9V至10V輸入器件的制造工藝進(jìn)行成本優(yōu)化。這也正是設計中需要產(chǎn)生中等電源，進(jìn)而產(chǎn)生低壓的原因。

以下列出了四種常用的電源架構，總結了最近三年汽車(chē)領(lǐng)域的典型設計架構。當然，用戶(hù)可以通過(guò)不同方式實(shí)現具體的設計要求，多數方案可歸納為這四種結構中的一種。

方案1

該架構為優(yōu)化DC-DC轉換器的效率、布局、PCB散熱及噪聲指標提供了極大的靈活性。方案1的主要優(yōu)勢是：

增加核設計的靈活性。設計提供不同的電壓選項，以滿(mǎn)足特定的設計要求。即使不是最低成本/最高效率的解決方案，增加一個(gè)獨立的轉換器有助于重復利用原有設計。

有助于合理利用開(kāi)關(guān)電源/線(xiàn)性穩壓器。例如，如果系統中提供為處理器供電的3.3V電源，相對于直接從汽車(chē)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。如果新設計中需要更改電源電壓，舊的電源模塊不再滿(mǎn)足要求時(shí)，設計人員可以很容易地選擇一個(gè)替代模塊，不會(huì )造成任何浪費。

合理分配PCB散熱，這為選擇轉換器的位置及散熱提供了靈活性。

允許使用高性能、高性?xún)r(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。

另外需要注意的是：方案1占用較大的電路板面積、成本相對較高，對于有多路電源需求的設計來(lái)說(shuō)過(guò)于復雜。

方案2

該方案是高集成度與設計靈活性的折衷，與方案1相比，在成本、外形尺寸和復雜度方面具有一定的優(yōu)勢。

該方案特別適合兩路降壓輸出并需要獨立控制的應用。例如，3.3V不間斷供電電源，而在需要時(shí)可以關(guān)閉5V電源，以節省IQ電流。另一種應用是產(chǎn)生中等電源，例如5V，為低壓轉換器供電，利用這種方案可以省去一個(gè)產(chǎn)生8V的boost轉換器。

采用外置FET的雙輸出控制器可以提供與方案1相同的PCB布板靈活性，便于散熱。內置FET的轉換器，設計人員應注意不要在PCB的同一位置耗散過(guò)多的熱量。

方案3

這一架構把多路高壓轉換問(wèn)題轉化成一路高壓轉換和一個(gè)高度集成的低壓轉換IC，相對于多輸出高壓轉換IC，高集成度低壓轉換IC成本較低，且容易從市場(chǎng)上得到。

這種方案有助于簡(jiǎn)化電源設計，可以方便地從不同供應商獲得替代器件。另外，高度集成的低壓IC要比多路高壓IC的成本低。

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換和管理功能，突破了電源設計中的諸多限制。但是，高集成度也存在一定的負面影響。

在高集成度PMIC中，集成度與驅動(dòng)能力總是相互矛盾。例如，在產(chǎn)品升級時(shí)，原設計中內置MOSFET的穩壓器可能無(wú)法滿(mǎn)足新設計中的負載驅動(dòng)要求。

把低壓轉換器級聯(lián)到高壓轉換器有助于降低成本，但這種方式受限于穩壓器的開(kāi)/關(guān)控制。例如，如果5V電源關(guān)閉時(shí)必須開(kāi)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。

EMI和負載點(diǎn)轉換器可能會(huì )制約核心PMIC的使用，電路板布局以及較長(cháng)的引線(xiàn)可能無(wú)法使用PMIC能夠提供的電源電壓。

Maxim的汽車(chē)電源解決方案

Maxim的汽車(chē)電源IC克服了許多電源管理問(wèn)題，能夠提供獨特的高性能解決方案。電源產(chǎn)品包括過(guò)壓保護和欠壓保護、微處理器監控、開(kāi)關(guān)轉換器和線(xiàn)性穩壓器等高度集成的多功能PMIC，完全滿(mǎn)足汽車(chē)信息娛樂(lè )系統的供電需求。

Maxim通過(guò)了TS16949(汽車(chē)質(zhì)量標準)認證，針對汽車(chē)產(chǎn)品配備了專(zhuān)門(mén)的支持隊伍，提供質(zhì)量認證、客戶(hù)服務(wù)、本地銷(xiāo)售及應用支持，擁有滿(mǎn)足汽車(chē)市場(chǎng)需求的IC設計資源。

Maxim的電源IC符合汽車(chē)級質(zhì)量認證和生產(chǎn)要求，例如：AECQ100認證、DFMEA、不同的溫度等級(包括85°C、105°C、125°C等)、特殊的封裝(有引出線(xiàn)的引腳或QFN，帶有裸焊盤(pán)或不帶裸焊盤(pán))要求。

圖4.汽車(chē)電源管理IC，汽車(chē)電源選型，

高壓?jiǎn)温份敵鯬WM控制器

圖5.MAX15004/MAX15005汽車(chē)VFD供電電源，啟動(dòng)后，輸入工作電壓可低至2.5V，為VFD提供輸出過(guò)壓保護。

MAX15004/MAX15005為通用的電流模式PWM控制器，能夠配制成boost、反激、正激和SEPIC轉換器，IC工作在4.5V至40V輸入電壓范圍，允許在15kHz至500kHz范圍內調節開(kāi)關(guān)頻率。該款I(lǐng)C還允許同步到一個(gè)外部時(shí)鐘。

電流模式控制架構具有出色的電源瞬態(tài)響應特性和逐周期限流，有效簡(jiǎn)化頻率補償?？删幊绦甭恃a償進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設計，60ns快速限流響應時(shí)間和低至300mV的限流門(mén)限使得該控制器非常適合構成高效、高頻DC-DC轉換器。器件包括內部誤差放大器和1%精度的基準，便于構成隔離或非隔離型原邊穩壓器。

保護功能包括逐周期、“打嗝式”限流，輸出過(guò)壓保護和熱關(guān)斷。MAX15004/MAX15005采用16引腳TSSOP封裝，帶有裸焊盤(pán)或不帶裸焊盤(pán)。所有器件工作在-40°C至+125°C汽車(chē)級溫度范圍。

高壓?jiǎn)温份敵?、降壓型開(kāi)關(guān)控制器

圖6.MAX1744/MAX1745為高壓(36V)、降壓型DC-DC控制器。

MAX1744為單路輸出、汽車(chē)級開(kāi)關(guān)穩壓器，能夠承受4.5V至36V瞬變電壓。器件采用專(zhuān)有的限流控制架構，提供出色的輕載和滿(mǎn)負荷效率，無(wú)需散熱器即可提供50W的輸出功率。MAX1745在關(guān)斷時(shí)僅消耗4µA電流，輕載時(shí)消耗90µA電流。IC規定工作在+125°C，提供3mm×3mm、16引腳µMAX®封裝，帶有裸焊盤(pán)或不帶裸焊盤(pán)。MAX1745可通過(guò)外部電阻調節輸出電壓。

高壓?jiǎn)温份敵鯨DO

圖7.MAX15006/MAX15007為線(xiàn)性穩壓器，靜態(tài)電流低至9µA，可理想用于汽車(chē)中的不間斷供電。

MAX15006/MAX15007為超低靜態(tài)電流的線(xiàn)性穩壓器，能夠工作在4V至40V電壓范圍。IC可提供高達50mA的輸出電流，空載時(shí)僅消耗10µA的IQ。內置p溝道調整管即使在滿(mǎn)負荷時(shí)也能保持極低的IQ。關(guān)斷時(shí)，MAX15007僅消耗3µA電流。

MAX15006A/MAX15007A提供固定3.3V輸出，MAX15006B/MAX15007B提供固定5V輸出。MAX15007包括一個(gè)使能輸入，用于器件的通、斷控制。所有器件具有短路保護，包括熱關(guān)斷。

MAX15006/MAX15007工作在-40°C至+125°C汽車(chē)級溫度范圍，這些器件提供節省空間的3mmx3mm、6引腳TDFN和8引腳SO、增強散熱型封裝。

高壓雙輸出、降壓/升壓型開(kāi)關(guān)轉換器

圖8.MAX5098/MAX5099可承受80V拋負載并可工作在低于6V的冷啟動(dòng)狀態(tài)。

MAX5098/MAX5099為2.2MHz、180°異相雙通道輸出開(kāi)關(guān)調節器，內置高邊FET。IC工作在4.5V至19V輸入電壓范圍，集成拋負載保護能夠承受高達80V的瞬態(tài)拋負載電壓。MAX5099內部集成了兩個(gè)低邊MOSFET驅動(dòng)器，用于驅動(dòng)外部同步整流MOSFET。輸出1和輸出2可分別提供高達2A和1A的輸出電流。MAX5098能夠配制成升壓或降壓轉換器，MAX5099只能配置成降壓模式。

MAX5098/MAX5099還具有短路保護(“打嗝式”限流)和熱保護電路。IC工作在-40°C至+125°C溫度范圍，提供增強散熱的裸焊盤(pán)、5mm×5mm、32引腳TQFN或28引腳TSSOP封裝?！?/p>