高性能汽車(chē)電源設計

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

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。

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。

精心設計的開(kāi)關(guān)電源轉換器的效率通常高于線(xiàn)性穩壓器，較高的轉換效率可以省去電源設計中的大尺寸散熱片和大的封裝外形。多數廉價(jià)的小尺寸裸焊盤(pán)封裝即可在85℃時(shí)耗散2W功率，在125℃時(shí)耗散1W功率。20W以上的大功率設計對于熱管理要求比較嚴格，需要采用同步整流架構。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(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，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。

4）成本控制：OEM廠(chǎng)商需要折中考慮模塊成本、開(kāi)發(fā)/認證成本、產(chǎn)品上市時(shí)間以及規格指標。在成本允許的前提下保證最優(yōu)設計，電源部分的材料清單在成本上可能占據非常重要的地位。

模塊成本與PCB類(lèi)型、散熱片、器件布局及其設計因素有關(guān)。例如，用FR-4 4層板代替CM-3單層板對于PCB的散熱會(huì )產(chǎn)生很大差異。

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：一個(gè)工作電路所產(chǎn)生的電磁干擾可能導致另一個(gè)電路無(wú)法正常運行。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。