汽車(chē)電源設計趨勢分析：從線(xiàn)性方案邁向開(kāi)關(guān)方案

如今，隨著(zhù)人們對汽車(chē)的便利性、安全性、舒適性以及環(huán)保節能的要求越來(lái)越高，汽車(chē)已由最初的以機械部件為主演變至機電一體化，且對電子技術(shù)的依賴(lài)程度不斷提高，越來(lái)越多的電子模塊被集成以向汽車(chē)使用者提供更多功能。然而，這趨勢也令汽車(chē)電子工程師面臨更多的挑戰：數字元件的增多導致電源電壓下降以及元件內電流上升，加上政府法規對二氧化碳排放的要求日趨嚴苛，以及消費者對燃油經(jīng)濟性的要求，工程師需要從電源管理模塊的設計方面考慮如何降低功耗，減小靜態(tài)電流，提升系統能效并符合各種環(huán)境法規及安全標準。

電源能效

盡量提升電源能效一直是設計的一個(gè)核心目標。從熱力學(xué)角度來(lái)講，現實(shí)世界的能量轉移并不完美，由于散熱和其他系統損耗等因素，輸入功率永遠不可能等于輸出功率。這由電源能效來(lái)衡量，也就是輸出功率除以輸入功率的比值。

我們假定線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)電源都有2.5 W的額定功率，以及5 V輸出電壓和0.5 A輸出電流，那么線(xiàn)性穩壓器需要6 W的輸入功率(損失的3.5 W歸咎于穩壓器散熱)，能效為41%，而開(kāi)關(guān)式穩壓器僅需2.8 W的輸入功率，能效高達90%。

因此，開(kāi)關(guān)方案提供比線(xiàn)性方案更高的能效。對設計師來(lái)說(shuō)，了解從線(xiàn)性方案邁向開(kāi)關(guān)方案的設計考量及其對設計的影響是很有必要的。

開(kāi)關(guān)電源設計考量

根據開(kāi)關(guān)電源的工作原理，通過(guò)導通和關(guān)斷的開(kāi)關(guān)狀態(tài)對輸入電壓進(jìn)行增加/減小/逆變的脈沖調制，這是優(yōu)于線(xiàn)性方案只能減小輸入電平的又一優(yōu)勢。然而，開(kāi)關(guān)方案也有很多弊端，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)導致其除噪性能差。

為減輕開(kāi)關(guān)電源弊端，系統設計師需作以下考量：

(一)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。

(二)外部元件數量

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。

(三)PCB面積

減小電感和電容的尺寸，所占PCB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。

(四)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。

(五)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。

汽車(chē)系統電源拓撲結構演變

工程師須視具體的應用為汽車(chē)系統選擇合適的電源管理設計方案。

圖一：汽車(chē)系統電源拓撲結構演變概覽

混合線(xiàn)性/開(kāi)關(guān)電源(SMPS)方案典型用于汽車(chē)ADAS系統和啟停系統

隨著(zhù)車(chē)輛主動(dòng)安全系統的重要性的與日俱增，先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)逐漸從高檔車(chē)應用擴展至中低檔車(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系統將可令駕駛體驗進(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。

圖二：ADAS系統

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系統高集成度的復雜性，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。

圖三：以太網(wǎng)SBC技術(shù)實(shí)現ADAS的集成要求

隨著(zhù)燃油經(jīng)濟性標準和規范的二氧化碳排放協(xié)議的推行，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，混合線(xiàn)性/SMPS方案被進(jìn)一步改進(jìn)，于降壓穩壓器和電池供電的LDO之間添加啟停預升壓器(如圖一右上角所示)，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。

開(kāi)關(guān)電源方案典型用于駕駛信息系統

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系統等信息都可通過(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NCV8901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。