詳解汽車(chē)電源設計挑戰及考量

電動(dòng)化、智能化、互聯(lián)化正成為汽車(chē)發(fā)展新趨勢，為提升燃油經(jīng)濟性的啟停系統、為增加主動(dòng)安全性的先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)、以及作為新一代智能交通基礎的駕駛信息系統等多個(gè)電子系統越來(lái)越多地被汽車(chē)設計人員所采用，多系統的集成在提升汽車(chē)駕乘體驗的同時(shí)，也為汽車(chē)電源設計帶來(lái)了挑戰。汽車(chē)電源須提供更高能效和更低能耗，以配合汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展并符合各種環(huán)境法規及安全標準。

線(xiàn)性方案對比開(kāi)關(guān)方案(SMPS)及設計考量

在電源轉換過(guò)程中不可避免地會(huì )發(fā)熱，穩壓器散熱會(huì )損失一部分功率，這樣輸出功率就不可能等于輸入功率。傳統的線(xiàn)性穩壓器在此過(guò)程中會(huì )耗散大部分能量，已無(wú)法滿(mǎn)足當前高功率需求類(lèi)的應用。我們假定采用線(xiàn)性穩壓器時(shí)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59%!而同樣情況下，開(kāi)關(guān)電源僅需2.8 W的輸入功率，能效高達90%。

因此，設計工程師可采用開(kāi)關(guān)電源提高系統能效，但是開(kāi)關(guān)方案也有弊端，由于其復雜的反饋回路，外部元件較線(xiàn)性方案多且需要更多的PCB面積，再加上開(kāi)關(guān)的性質(zhì)導致其降噪性能差，在設計過(guò)程中需從反饋回路設計、外部元件數、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. 反饋回路設計

為匹配輸出阻抗的后穩壓器選擇合適的負輸入電阻以避免振蕩，達到穩壓輸出的目的;

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(guò)選擇單極響應控制方案來(lái)實(shí)現。

2. 外部元件數

集成的電源開(kāi)關(guān)可減小布線(xiàn)尺寸，功耗比板外電源開(kāi)關(guān)更低，且更易于設計。

3. 線(xiàn)路板面積

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

4. 瞬態(tài)電流

將線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)，可減小瞬態(tài)電流，稱(chēng)為混合開(kāi)關(guān)電源;且可根據線(xiàn)路負載情況，以恒定的開(kāi)和關(guān)條件進(jìn)行脈沖頻率調制。

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;

避免由穩壓器和系統環(huán)境產(chǎn)生的敏感頻段;

采用擴頻調制技術(shù)、決定光譜含量和去耦方案降低排放峰值。

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

滿(mǎn)足低壓?jiǎn)?dòng)的混合線(xiàn)性/開(kāi)關(guān)電源方案

在各國紛紛推行日趨嚴苛的燃油經(jīng)濟性標準和規范的二氧化碳排放協(xié)議的背景下，啟停系統的市場(chǎng)需求日益增加。所謂啟停系統，即在汽車(chē)行駛過(guò)程中臨時(shí)停車(chē)的時(shí)候自動(dòng)熄火，需要繼續前進(jìn)時(shí)系統自動(dòng)重啟內燃機，從而減少發(fā)動(dòng)機空閑的時(shí)間，以減少燃油消耗和二氧化碳排放。

內燃機無(wú)法自行啟動(dòng)，需要外力引發(fā)燃燒循環(huán)。這是啟動(dòng)電機的用途所在，當插入點(diǎn)火開(kāi)關(guān)鑰匙并將開(kāi)關(guān)扭至“開(kāi)”，啟動(dòng)電機啟動(dòng)。然而，啟動(dòng)電機轉動(dòng)曲柄發(fā)動(dòng)引擎需要的電流量非常大，導致在啟動(dòng)階段汽車(chē)電池電壓顯著(zhù)下降。為避免啟動(dòng)階段的壓降，可在降壓穩壓器和電池供電的LDO之間添加啟停預升壓器，它基于點(diǎn)火開(kāi)關(guān)打開(kāi)和關(guān)閉，以滿(mǎn)足啟停系統的低壓?jiǎn)?dòng)。預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致的異常，并符合12 V系統的 ISO 16750標準。如安森美半導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(dòng)及45 V負載突降情況下工作，其工作原理是：電池電壓正常時(shí)，NCV8876進(jìn)入休眠模式;而當電池電壓降至設定電壓時(shí)，NCV8876自動(dòng)喚醒，開(kāi)始升壓工作。NCV8876還集成了多種保護功能，如逐周期限流保護、斷續模式過(guò)流保護及過(guò)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(shí)的響應速度等，工作溫度范圍-40℃至150℃，非常適合汽車(chē)啟停系統應用。

ADAS采用混合線(xiàn)性/開(kāi)關(guān)電源方案增加輸出功率

隨著(zhù)車(chē)輛主動(dòng)安全系統的重要性的與日俱增， ADAS逐漸從高檔車(chē)應用擴展至中檔車(chē)，它通過(guò)協(xié)助駕駛員控制車(chē)輛的復雜過(guò)程以提供更安全便利的駕駛體驗如自適應巡航控制、盲點(diǎn)監控、車(chē)道偏離警報、夜視、車(chē)道保持協(xié)助、以及具自動(dòng)轉向和制動(dòng)措施的碰撞警報系統。下一代ADAS將可令駕駛體驗進(jìn)一步自動(dòng)化，如：用智能手機app協(xié)助自動(dòng)停車(chē);搭載V2X 通訊系統實(shí)現車(chē)輛與車(chē)輛或車(chē)輛與外界環(huán)境的即時(shí)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(guò)介質(zhì)雷達傳感器平臺識別事故隱患，作出靈敏反應并自主采取行動(dòng)，提供多重安全功能的同時(shí)降低成本。

圖1：先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)

這就需要配以系統基礎芯片(SBC), 通過(guò)通信技術(shù)如以太網(wǎng)成功連接車(chē)輛中的各部分如攝像頭、GPS、雷達和旋轉編碼器來(lái)實(shí)現。由于A(yíng)DAS高集成度的復雜性，系統設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(zhuān)用功能如看門(mén)狗功能、電源監控冗余功能以及電壓監控功能，以保證符合ISO26262標準的汽車(chē)安全完整性 (ASLI) B等級，實(shí)現整車(chē)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(shí)現ADAS的集成要求

駕駛信息系統采用開(kāi)關(guān)電源方案減小瞬態(tài)電流

駕駛信息系統包括車(chē)輛內外的信息系統、通信系統以及娛樂(lè )系統，是汽車(chē)發(fā)展的主要部分。油耗、車(chē)速、導航、娛樂(lè )及ADAS等信息都可通過(guò)儀表盤(pán)和中控面板向駕駛員顯示。Nvidia、Intel等廠(chǎng)商不斷提升系統集成能力并開(kāi)發(fā)智能解決方案，通過(guò)圖形處理器集成和連接各種不同車(chē)輛的功能。由于系統內部需要進(jìn)行大量的計算，所以駕駛信息系統屬于高功率應用，可采用開(kāi)關(guān)電源方案。單相/多相SMPS作為用于駕駛信息系統的關(guān)鍵技術(shù)，可根據實(shí)時(shí)使用狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)電壓調節，減少不必要的功耗。安森美半導體的 NCV8901xx系列是集成降壓SMPS的轉換器，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拋負載電壓，芯片工作結溫為-40℃至150℃，體積小，輸出精度高，可在駕駛信息系統中使用。