安森美半導體分析汽車電源轉型
加入技術交流群
電源能效
盡量提升電源能效一直是設計的一個核心目標。從熱力學角度來講，現(xiàn)實世界的能量轉移并不完美，由于散熱和其他系統(tǒng)損耗等因素，輸入功率永遠不可能等于輸出功率。這由電源能效來衡量，也就是輸出功率除以輸入功率的比值。
我們假定線性穩(wěn)壓器和開關電源都有2.5 W的額定功率，以及5 V輸出電壓和0.5 A輸出電流，那么線性穩(wěn)壓器需要6 W的輸入功率（損失的3.5 W歸咎于穩(wěn)壓器散熱），能效為41%，而開關式穩(wěn)壓器僅需2.8 W的輸入功率，能效高達90%。
因此，開關方案提供比線性方案更高的能效。對設計師來說，了解從線性方案邁向開關方案的設計考量及其對設計的影響是很有必要的。
開關電源設計考量
根據開關電源的工作原理，通過導通和關斷的開關狀態(tài)對輸入電壓進行增加/減小/逆變的脈沖調制，這是優(yōu)于線性方案只能減小輸入電平的又一優(yōu)勢。然而，開關方案也有很多弊端，由于其復雜的反饋回路，外部元件較線性方案多且需要更多的PCB面積，再加上開關的性質導致其除噪性能差。
為減輕開關電源弊端，系統(tǒng)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(wěn)壓器和系統(tǒng)環(huán)境產生的敏感頻段；
采用擴頻調制技術、決定光譜含量和去耦方案降低排放峰值。
(二) 外部元件數量
集成的電源開關可減小布線尺寸，功耗比板外電源開關更低，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，且開關頻率增加，使能效得以提升，同時減弱PCB電磁輻射和電磁干擾。但需注意盡量使導通和開關損耗最小化，降低噪聲。
(四) 反饋回路設計
為匹配輸出阻抗的后穩(wěn)壓器選擇合適的負輸入電阻以避免振蕩，達到穩(wěn)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；頻率補償可通過選擇單極響應控制方案來實現(xiàn)。
(五) 瞬態(tài)電流
將線性穩(wěn)壓器和開關電源并聯(lián)，可減小瞬態(tài)電流，稱為混合開關電源；且可根據線路負載情況，以恒定的開和關條件進行脈沖頻率調制。
汽車系統(tǒng)電源拓撲結構演變
工程師須視具體的應用為汽車系統(tǒng)選擇合適的電源管理設計方案。
圖一：汽車系統(tǒng)電源拓撲結構演變概覽
混合線性/開關電源(SMPS)方案典型用于汽車ADAS系統(tǒng)和啟停系統(tǒng)
隨著車輛主動安全系統(tǒng)的重要性的與日俱增，先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)逐漸從高檔車應用擴展至中低檔車，它通過協(xié)助駕駛員控制車輛的復雜過程以提供更安全便利的駕駛體驗如自適應巡航控制、盲點監(jiān)控、車道偏離警報、夜視、車道保持協(xié)助、以及具自動轉向和制動措施的碰撞警報系統(tǒng)。下一代ADAS系統(tǒng)將可令駕駛體驗進一步自動化，如：用智能手機app協(xié)助自動停車；搭載V2X通訊系統(tǒng)實現(xiàn)車輛與車輛或車輛與外界環(huán)境的即時信息交換，從而大大緩解交通堵塞，減少交通事故的發(fā)生；通過介質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，提供多重安全功能的同時降低成本。
評論