詳述汽車電源設計的六個基本原則

　　多數汽車的電源架構在設計時都要遵循最基本的原則，但不是每個設計師都對這些原則有很透徹的了解。本文將對汽車電源設計應遵循的六大基本原則進行一一的講解，讓設計師的基本功更加扎實。

　　以下是汽車電源架構在設計時需要遵循的六項基本原則。

　　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。

　　2、散熱考慮：散熱需要根據DC-DC轉換器的最低效率進行設計

　　空氣流通較差甚至沒有空 氣流通的應用場合，如果環(huán)境溫度較高(> 30°C)，外殼存在熱源(> 1W)，設備會迅速發(fā)熱(> 85°C)。例如，大多數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/結熱阻的限制，將會明顯降低1W最大輸出功率。對于大多數高壓DC-DC轉換器，輸出電流在150mA至200mA范圍時，LDO 能夠提供較高的性價比。

　　將電池電壓轉換成低壓(例如：3.3V)，功率達到3W時，需要選擇高端開關型轉換器，這種轉換器可以提供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電源方案，而排斥基于LDO的傳統(tǒng)架構的原因。

　　大功率設計(> 20W)對于熱管理要求比較嚴格，需要采用同步整流架構。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驅動器。

　　3、靜態(tài)工作電流(IQ)及關斷電流(ISD)

　　隨著汽車中電子控制單元(ECU)數量的快速增長，從汽車電池消耗的總電流也不斷增長。即使當發(fā)動機關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，大多數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ECU IQ的主要考慮因素，電源設計需要考慮最小IQ預算。

　　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

　　對于大批量生產的產品，成本是設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計約束條件實際受限于特定項目的預算。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。

　　項目預算還會導致另一制約條件，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)的電源設計。對于一些成本很高的新的開發(fā)平臺，設計人員只是簡單地對未經優(yōu)化的傳統(tǒng)電源設計進行一些簡單修整。

　　5、位置/布局：在電源設計中PCB和元件布局會限制電源的整體性能

　　結構設計、電路板布局、噪聲靈敏度、多層板的互連問題以及其它布板限制都會制約高芯片集成電源的設計。而利用負載點電源產生所有必要的電源也會導致高成本，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(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，DC-DC轉換器的類型、拓撲結構、外圍元件選擇、電路板布局及屏蔽都非常重要。經過多年的積累，電源IC設計者研究出了各種限制EMI的技術。外部時鐘同步、高于AM調制頻段的工作頻率、內置MOSFET、軟開關技術、擴頻技術等都是近年推出的EMI抑制方案。

　　應用與功率需求

　　大多數系統(tǒng)電源的基本架構選擇應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領域的典型設計架構。當然，用戶可以通過不同方式實現(xiàn)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。

　　有助于合理利用開關電源和線性穩(wěn)壓器。例如，相對于直接從汽車電池降壓到1.8V，從3.3V電壓產生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。

　　方案1的缺點是：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說過于復雜。

　　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，而在需要時可以關閉5V電源，以節(jié)省IQ電流。另一種應用是產生5V和8V電源，利用這種方案可以省去一個從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的同一位置耗散過多的熱量。

　　方案 3

　　這一架構把多路高壓轉換問題轉化成一路高壓轉換和一個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，集成度與驅動能力總是相互矛盾。例如，在產品升級時，原設計中內置MOSFET的穩(wěn)壓器可能無法滿足新設計中的負載驅動要求。

　　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(wěn)壓器的開/關控制。例如，如果5V電源關閉時必須開啟3.3V電源，就無法將3.3V輸入連接到5V電源輸出;否則將不能關閉5V電源，造成較高的靜態(tài)電流IQ。