高性能汽車(chē)中的電源設計基本原則結構及方案

　　引言

　　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。

　　通用電源的拓撲架構

　　這里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一種靈活設計。方案1的主要優(yōu)勢是：

增加核設計的靈活性。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)電源和線(xiàn)性穩壓器。例如，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。

分散PCB的熱量，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。

　　方案1的缺點(diǎn)是：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。特別適合2路降壓輸出并需要獨立控制的方案。例如，要求3.3V電源不間斷供電，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5V和8V電源，利用這種方案可以省去一個(gè)從5V電壓升壓的boost轉換器。

　　采用外置MOSFET的兩路輸出控制器可以提供與方案相同的PCB布板靈活性，便于散熱。內置MOSFET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。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。

　　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、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 (如圖4所示)。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℃、105℃、125℃、135℃)、特殊的封裝要求。