如何為汽車(chē)電子系統設計成本低廉的電源

審慎的系統設計工程師應該放眼將來(lái)，力求能滿(mǎn)足未來(lái)一代的需要。他們應該從現在開(kāi)始便挑選可以支持42伏電池的穩壓器，以免幾年后需要由零開(kāi)始重新設計電源系統。LM2936HV低壓降穩壓器芯片與 LM295X開(kāi)關(guān)穩壓器芯片是專(zhuān)為42伏供電總線(xiàn)而設計的，這兩個(gè)系列穩壓器芯片以及相關(guān)的器件都在www.national.com/appinfo/automotive/42V.html這個(gè)網(wǎng)頁(yè)上有詳細的介紹。

氣囊的電源供應系統

即使是小型的汽車(chē)目前都設有6個(gè)氣囊，而且所采用的安全標準要求極高。負責為氣囊充氣的是一款稱(chēng)為爆管驅動(dòng)器(squib driver)的特別芯片，該芯片必須能夠在撞車(chē)的緊急關(guān)頭立即啟動(dòng)。按照圖1所示，氣囊系統由多個(gè)部分組成。

爆管驅動(dòng)器設于車(chē)廂之內，而電池則設于車(chē)頭蓋之下。撞車(chē)時(shí)，爆管驅動(dòng)器與電池之間的線(xiàn)路連接可能會(huì )因為撞擊而斷開(kāi)，因此安全電容器一般會(huì )設于爆管驅動(dòng)器的旁邊，以便驅動(dòng)器的附近有足夠的儲電可以提供動(dòng)力，為氣囊充氣。

以下簡(jiǎn)單介紹氣囊系統的充氣過(guò)程。氣囊系統設有升壓轉換器，一般來(lái)說(shuō)，這些升壓轉換器都采用 sepic拓撲(sepic拓撲要求電路中采用兩個(gè)電感) 或回掃拓撲結構(回掃拓撲中需要采用一個(gè)變壓器)。進(jìn)行充氣之前，氣囊系統的升壓轉換器會(huì )先將電池電壓(Vbat)提高(這個(gè)電池電壓在負載突降時(shí)可高達 40伏)，直至達到安全電壓(Vsafe)要求的電平，這樣可確保安全電容器儲存大量電能(見(jiàn)圖2)。之后才將這個(gè)較高的安全電壓調低至幾伏，這個(gè)較低的電壓稱(chēng)為遠程電壓(Vremote)。必須嚴格按照這個(gè)充氣準備程序，以確保其后幾級的低壓降穩壓器出現較少壓降。壓降越少，功耗也就越低，效率也就越高。

圖 3：氣袋系統的電源分配結構 - 系統電路圖

由于Vremote的數值較低，其后幾級的低壓降穩壓器即使并不屬于汽車(chē)級別的產(chǎn)品，其輸入電壓范圍也可滿(mǎn)足有關(guān)的要求。LP2985系列芯片便屬于這類(lèi)的穩壓器，其輸入電壓高達16伏，輸出電流為150mA，結溫可高達125℃，適用于大部分的應用場(chǎng)合。

LM9076穩壓器芯片則適用于更高溫的工作環(huán)境，其接面溫度可高達150℃。這款穩壓器可利用8伏的輸入電壓輸出150mA的電流及5伏的電壓。在額定的工作溫度及負載范圍內，這款穩壓器芯片可以保持極高的輸出電壓準確度(高達2%)。由于這個(gè)結構采用了安全電容器，因此工作時(shí)更為安全可靠。從成本的角度看，采用遠程低壓降穩壓器無(wú)需加設任何散熱器，因此有助節省成本。由于Vsafe(Vbat(最高值)，而一級轉換器可用作升壓轉換器，因此無(wú)需采用布局較為復雜的sepic或回掃式的轉換器。降壓轉換器適用于降壓穩壓器，后者成本也較低。由于低壓降穩壓器無(wú)需利用高壓電源，因此有多種不同的 CMOS或低電壓雙極芯片可供選擇。

有多個(gè)不同電壓輸出可供選擇

我們若采用開(kāi)關(guān)穩壓器作為輸入級，再以多個(gè)低壓降穩壓器提供輸出，便可降低電源系統的整體成本。高功率的電源系統甚至必須采用這樣的設計。圖4是其中一個(gè)示例。

圖 4：可提供多個(gè)輸出的配置

確定最理想的局部電壓(Vlocal)時(shí)，必須詳細考量以下各參數：

Vlocal必須低至可以確保低壓降穩壓器不會(huì )耗散太多功率。Iout(最高值)=(Tj-Ta)/(((j,a)*(Vin-Vout))

只有在整體電壓超過(guò)指定壓降的情況下低壓降穩壓器才會(huì )將電壓穩定下來(lái)，因此Vlocal必須比Vx+VDox高。

本文總結

電源若采用恰當的設計，將有助降低系統開(kāi)發(fā)的總體成本。若應用環(huán)境極為惡劣，例如在電池電壓、輸出電流以及溫度等都處于極高水平的情況下，我們必須考慮采用多轉換級的結構。目前市場(chǎng)上有很多專(zhuān)為汽車(chē)電源供應系統而設的穩壓器芯片可供選擇。采用WEBENCH等免費的網(wǎng)上設計工具也有助降低設計成本以及縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。汽車(chē)廠(chǎng)商都希望縮短新車(chē)的設計周期，因此穩壓器芯片將會(huì )更受汽車(chē)廠(chǎng)商的歡迎。即使是同一輛汽車(chē)，不同的子系統在實(shí)際應用時(shí)也各有不同的局限，因此設計這些電子系統的工程師必須對這方面有相當的認識。