高性能汽車電源設(shè)計的發(fā)展趨勢

中心議題：

汽車電源設(shè)計的六項基本原則

實際應(yīng)用與功率需求

解決方案：

根據(jù)DC-DC轉(zhuǎn)換器的最低效率設(shè)計散熱

控制好靜態(tài)工作電流(IQ)及關(guān)斷電流(ISD)

設(shè)計中PCB和元件布局平衡整體的系統(tǒng)性能

2012年，歐洲、日本和美國的汽車市場將有超過半數(shù)的汽車安裝彩色顯示器、導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星通信以及其它車載信息娛樂系統(tǒng)，因此，2012年汽車市場的電源需求將于傳統(tǒng)設(shè)計有很大差異。

高可靠性、低成本、極短的研發(fā)周期等等相互沖突的設(shè)計要求迫使電源設(shè)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(tǒng)的汽車電源設(shè)計中不曾涉足的。

汽車電源設(shè)計的六項基本原則

大多數(shù)汽車電源架構(gòu)需要遵循六項基本原則：

1.輸入電壓VIN范圍：12V電池電壓的瞬變范圍決定了電源轉(zhuǎn)換IC的輸入電壓范圍。

典型的汽車電池電壓范圍為9V至16V，發(fā)動機關(guān)閉時，汽車電池的標稱電壓為12V;發(fā)動機工作時，電池電壓在14.4V左右。但是，不同條件下，瞬態(tài)電壓也可能達到±100V。ISO7637-1行業(yè)標準定義了汽車電池的電壓波動范圍。圖1和圖2所示波形即為ISO7637標準給出的部分波形，圖中顯示了高壓汽車電源轉(zhuǎn)換器需要滿足的臨界條件。

除了ISO7637-1，還有一些針對燃氣發(fā)動機定義的電池工作范圍和環(huán)境。大多數(shù)新的規(guī)范是由不同的OEM廠商提出的，不一定遵循行業(yè)標準。但是，任何新標準都要求系統(tǒng)具有過壓和欠壓保護。

圖1.冷啟動電壓波形

圖2.拋負載電壓波形

2.散熱考慮：散熱需要根據(jù)DC-DC轉(zhuǎn)換器的最低效率進行設(shè)計。

空氣流通較差甚至沒有空氣流通的應(yīng)用場合，如果環(huán)境溫度較高(>30°C)，外殼存在熱源(>1W)，設(shè)備會迅速發(fā)熱(>85°C)。例如，大多數(shù)音頻放大器需要安裝在散熱片上，并需要提供良好的空氣流通條件以耗散熱量。另外，PCB材料和一定的覆銅區(qū)域有助于提高熱傳導(dǎo)效率，從而達到最佳的散熱條件。如果不使用散熱片，封裝上的裸焊盤的散熱能力限制在2W至3W(85°C)。隨著環(huán)境溫度升高，散熱能力會明顯降低。

將電池電壓轉(zhuǎn)換成低壓(例如：3.3V)輸出時，線性穩(wěn)壓器將損耗75%的輸入功率，效率極低。為了提供1W的輸出功率，將會有3W的功率作為熱量消耗掉。受環(huán)境溫度和管殼/結(jié)熱阻的限制，將會明顯降低1W最大輸出功率。對于大多數(shù)高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，輸出電流在150mA至200mA范圍時，LDO能夠提供較高的性價比。

將電池電壓轉(zhuǎn)換成低壓(例如：3.3V)，功率達到3W時，需要選擇高端開關(guān)型轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器可以提供30W以上的輸出功率。這也正是汽車電源制造商通常選用開關(guān)電源方案，而排斥基于LDO的傳統(tǒng)架構(gòu)的原因。

大功率設(shè)計(>20W)對于熱管理要求比較嚴格，需要采用同步整流架構(gòu)。為了獲得高于單個封裝的散熱能力，避免封裝“發(fā)熱”，可以考慮使用外部MOSFET驅(qū)動器。

3.靜態(tài)工作電流(IQ)及關(guān)斷電流(ISD)：

隨著汽車中電子控制單元(ECU)數(shù)量的快速增長，從汽車電池消耗的總電流也不斷增長。即使當(dāng)發(fā)動機關(guān)閉并且電池電量耗盡時，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(nèi)，大多數(shù)OEM廠商開始對每個ECU的IQ加以限制。例如歐盟提出的要求是：100µA/ECU。絕大多數(shù)歐盟汽車標準規(guī)定ECU的IQ典型值低于100µA。始終保持工作狀態(tài)的器件，例如：CAN收發(fā)器、實時時鐘和微控制器的電流損耗是ECUIQ的主要考慮因素，電源設(shè)計需要考慮最小IQ預(yù)算。

4.成本控制：OEM廠商對于成本和規(guī)格的折中是影響電源材料清單的重要因素。

對于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，成本是設(shè)計中需要考慮的重要因素。PCB類型、散熱能力、允許選擇的封裝及其它設(shè)計約束條件實際受限于特定項目的預(yù)算。例如，使用4層板FR4和單層板CM3，PCB的散熱能力就會有很大差異。

項目預(yù)算還會導(dǎo)致另一制約條件，用戶能夠接受更高成本的ECU，但不會花費時間和金錢用于改造傳統(tǒng)的電源設(shè)計。對于一些成本很高的新的開發(fā)平臺，設(shè)計人員只是簡單地對未經(jīng)優(yōu)化的傳統(tǒng)電源設(shè)計進行一些簡單修整。

5.位置/布局：在電源設(shè)計中PCB和元件布局會限制電源的整體性能。

結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路板布局、噪聲靈敏度、多層板的互連問題以及其它布板限制都會制約高芯片集成電源的設(shè)計。而利用負載點電源產(chǎn)生所有必要的電源也會導(dǎo)致高成本，將眾多元件集于單一芯片并不理想。電源設(shè)計人員需要根據(jù)具體的項目需求平衡整體的系統(tǒng)性能、機械限制和成本。

6.電磁輻射：

隨時間變化的電場會產(chǎn)生電磁輻射，輻射強度取決于場的頻率和幅度，一個工作電路所產(chǎn)生的電磁干擾會直接影響另一電路。例如，無線電頻道的干擾可能導(dǎo)致安全氣囊的誤動作，為了避免這些負面影響，OEM廠商針對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(nèi)，DC-DC轉(zhuǎn)換器的類型、拓撲結(jié)構(gòu)、外圍元件選擇、電路板布局及屏蔽都非常重要。經(jīng)過多年的積累，電源IC設(shè)計者研究出了各種限制EMI的技術(shù)。外部時鐘同步、高于AM調(diào)制頻段的工作頻率、內(nèi)置MOSFET、軟開關(guān)技術(shù)、擴頻技術(shù)等都是近年推出的EMI抑制方案。

應(yīng)用與功率需求

大多數(shù)系統(tǒng)電源的基本架構(gòu)選擇應(yīng)從電源要求以及汽車廠商定義的電池電壓瞬變波形入手。對于電流的要求應(yīng)該反映到電路板的散熱設(shè)計。表1歸納了大多數(shù)設(shè)計的電路及電壓要求。

表1.通用電源及電壓要求¹

通用電源的拓撲架構(gòu)

圖3.電源結(jié)構(gòu)選項：Reg1：8V(CD/DVD驅(qū)動器);Reg2：5V(µC);Reg3：3.3V(µC);Reg4：2.5V/1.8V(DSP);Reg5：1.2V(存儲器)。

與數(shù)字CMOS工藝類似，模擬BiCMOS也在不斷地縮小設(shè)計的幾何尺寸，以求獲得最佳的投資回報，降低工藝開發(fā)的風(fēng)險。但是，工藝優(yōu)化的方向并不符合汽車應(yīng)用的需求。例如：大多數(shù)集成工藝針對降低5.5V至6V輸入電壓范圍的器件成本進行優(yōu)化，但尚未對9V至10V輸入器件的制造工藝進行成本優(yōu)化。這也正是設(shè)計中需要產(chǎn)生中等電源，進而產(chǎn)生低壓的原因。

以下列出了四種常用的電源架構(gòu)，總結(jié)了最近三年汽車領(lǐng)域的典型設(shè)計架構(gòu)。當(dāng)然，用戶可以通過不同方式實現(xiàn)具體的設(shè)計要求，多數(shù)方案可歸納為這四種結(jié)構(gòu)中的一種。

方案1

該架構(gòu)為優(yōu)化DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率、布局、PCB散熱及噪聲指標提供了極大的靈活性。方案1的主要優(yōu)勢是：

增加核設(shè)計的靈活性。設(shè)計提供不同的電壓選項，以滿足特定的設(shè)計要求。即使不是最低成本/最高效率的解決方案，增加一個獨立的轉(zhuǎn)換器有助于重復(fù)利用原有設(shè)計。

有助于合理利用開關(guān)電源/線性穩(wěn)壓器。例如，如果系統(tǒng)中提供為處理器供電的3.3V電源，相對于直接從汽車電池降壓到1.8V，從3.3V電壓產(chǎn)生1.8V300mA的電源效率更高、成本也更低。如果新設(shè)計中需要更改電源電壓，舊的電源模塊不再滿足要求時，設(shè)計人員可以很容易地選擇一個替代模塊，不會造成任何浪費。

合理分配PCB散熱，這為選擇轉(zhuǎn)換器的位置及散熱提供了靈活性。

允許使用高性能、高性價比的低電壓模擬IC，與高壓IC相比，這種方案提供了更寬的選擇范圍。

另外需要注意的是：方案1占用較大的電路板面積、成本相對較高，對于有多路電源需求的設(shè)計來說過于復(fù)雜。

方案2

該方案是高集成度與設(shè)計靈活性的折衷，與方案1相比，在成本、外形尺寸和復(fù)雜度方面具有一定的優(yōu)勢。

該方案特別適合兩路降壓輸出并需要獨立控制的應(yīng)用。例如，3.3V不間斷供電電源，而在需要時可以關(guān)閉5V電源，以節(jié)省IQ電流。另一種應(yīng)用是產(chǎn)生中等電源，例如5V，為低壓轉(zhuǎn)換器供電，利用這種方案可以省去一個產(chǎn)生8V的boost轉(zhuǎn)換器。

采用外置FET的雙輸出控制器可以提供與方案1相同的PCB布板靈活性，便于散熱。內(nèi)置FET的轉(zhuǎn)換器，設(shè)計人員應(yīng)注意不要在PCB的同一位置耗散過多的熱量。

方案3

這一架構(gòu)把多路高壓轉(zhuǎn)換問題轉(zhuǎn)化成一路高壓轉(zhuǎn)換和一個高度集成的低壓轉(zhuǎn)換IC，相對于多輸出高壓轉(zhuǎn)換IC，高集成度低壓轉(zhuǎn)換IC成本較低，且容易從市場上得到。

這種方案有助于簡化電源設(shè)計，可以方便地從不同供應(yīng)商獲得替代器件。另外，高度集成的低壓IC要比多路高壓IC的成本低。

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，布板時需要慎重考慮PCB散熱問題。

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(zhuǎn)換和管理功能，突破了電源設(shè)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(qū)動能力總是相互矛盾。例如，在產(chǎn)品升級時，原設(shè)計中內(nèi)置MOSFET的穩(wěn)壓器可能無法滿足新設(shè)計中的負載驅(qū)動要求。

把低壓轉(zhuǎn)換器級聯(lián)到高壓轉(zhuǎn)換器有助于降低成本，但這種方式受限于穩(wěn)壓器的開/關(guān)控制。例如，如果5V電源關(guān)閉時必須開啟3.3V電源，就無法將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。

EMI和負載點轉(zhuǎn)換器可能會制約核心PMIC的使用，電路板布局以及較長的引線可能無法使用PMIC能夠提供的電源電壓。

Maxim的汽車電源解決方案

Maxim的汽車電源IC克服了許多電源管理問題，能夠提供獨特的高性能解決方案。電源產(chǎn)品包括過壓保護和欠壓保護、微處理器監(jiān)控、開關(guān)轉(zhuǎn)換器和線性穩(wěn)壓器等高度集成的多功能PMIC，完全滿足汽車信息娛樂系統(tǒng)的供電需求。

Maxim通過了TS16949(汽車質(zhì)量標準)認證，針對汽車產(chǎn)品配備了專門的支持隊伍，提供質(zhì)量認證、客戶服務(wù)、本地銷售及應(yīng)用支持，擁有滿足汽車市場需求的IC設(shè)計資源。

Maxim的電源IC符合汽車級質(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°C、105°C、125°C等)、特殊的封裝(有引出線的引腳或QFN，帶有裸焊盤或不帶裸焊盤)要求。

圖4.汽車電源管理IC，汽車電源選型，

高壓單路輸出PWM控制器

圖5.MAX15004/MAX15005汽車VFD供電電源，啟動后，輸入工作電壓可低至2.5V，為VFD提供輸出過壓保護。

MAX15004/MAX15005為通用的電流模式PWM控制器，能夠配制成boost、反激、正激和SEPIC轉(zhuǎn)換器，IC工作在4.5V至40V輸入電壓范圍，允許在15kHz至500kHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)開關(guān)頻率。該款I(lǐng)C還允許同步到一個外部時鐘。

電流模式控制架構(gòu)具有出色的電源瞬態(tài)響應(yīng)特性和逐周期限流，有效簡化頻率補償。可編程斜率補償進一步簡化了設(shè)計，60ns快速限流響應(yīng)時間和低至300mV的限流門限使得該控制器非常適合構(gòu)成高效、高頻DC-DC轉(zhuǎn)換器。器件包括內(nèi)部誤差放大器和1%精度的基準，便于構(gòu)成隔離或非隔離型原邊穩(wěn)壓器。

保護功能包括逐周期、“打嗝式”限流，輸出過壓保護和熱關(guān)斷。MAX15004/MAX15005采用16引腳TSSOP封裝，帶有裸焊盤或不帶裸焊盤。所有器件工作在-40°C至+125°C汽車級溫度范圍。

高壓單路輸出、降壓型開關(guān)控制器

圖6.MAX1744/MAX1745為高壓(36V)、降壓型DC-DC控制器。

MAX1744為單路輸出、汽車級開關(guān)穩(wěn)壓器，能夠承受4.5V至36V瞬變電壓。器件采用專有的限流控制架構(gòu)，提供出色的輕載和滿負荷效率，無需散熱器即可提供50W的輸出功率。MAX1745在關(guān)斷時僅消耗4µA電流，輕載時消耗90µA電流。IC規(guī)定工作在+125°C，提供3mm×3mm、16引腳µMAX®封裝，帶有裸焊盤或不帶裸焊盤。MAX1745可通過外部電阻調(diào)節(jié)輸出電壓。

高壓單路輸出LDO

圖7.MAX15006/MAX15007為線性穩(wěn)壓器，靜態(tài)電流低至9µA，可理想用于汽車中的不間斷供電。

MAX15006/MAX15007為超低靜態(tài)電流的線性穩(wěn)壓器，能夠工作在4V至40V電壓范圍。IC可提供高達50mA的輸出電流，空載時僅消耗10µA的IQ。內(nèi)置p溝道調(diào)整管即使在滿負荷時也能保持極低的IQ。關(guān)斷時，MAX15007僅消耗3µA電流。

MAX15006A/MAX15007A提供固定3.3V輸出，MAX15006B/MAX15007B提供固定5V輸出。MAX15007包括一個使能輸入，用于器件的通、斷控制。所有器件具有短路保護，包括熱關(guān)斷。

MAX15006/MAX15007工作在-40°C至+125°C汽車級溫度范圍，這些器件提供節(jié)省空間的3mmx3mm、6引腳TDFN和8引腳SO、增強散熱型封裝。

高壓雙輸出、降壓/升壓型開關(guān)轉(zhuǎn)換器

圖8.MAX5098/MAX5099可承受80V拋負載并可工作在低于6V的冷啟動狀態(tài)。

MAX5098/MAX5099為2.2MHz、180°異相雙通道輸出開關(guān)調(diào)節(jié)器，內(nèi)置高邊FET。IC工作在4.5V至19V輸入電壓范圍，集成拋負載保護能夠承受高達80V的瞬態(tài)拋負載電壓。MAX5099內(nèi)部集成了兩個低邊MOSFET驅(qū)動器，用于驅(qū)動外部同步整流MOSFET。輸出1和輸出2可分別提供高達2A和1A的輸出電流。MAX5098能夠配制成升壓或降壓轉(zhuǎn)換器，MAX5099只能配置成降壓模式。

MAX5098/MAX5099還具有短路保護(“打嗝式”限流)和熱保護電路。IC工作在-40°C至+125°C溫度范圍，提供增強散熱的裸焊盤、5mm×5mm、32引腳TQFN或28引腳TSSOP封裝?！?/p>