汽車電源設(shè)計(jì)趨勢(shì)分析：從線性方案邁向開關(guān)方案

如今，隨著人們對(duì)汽車的便利性、安全性、舒適性以及環(huán)保節(jié)能的要求越來越高，汽車已由最初的以機(jī)械部件為主演變至機(jī)電一體化，且對(duì)電子技術(shù)的依賴程度不斷提高，越來越多的電子模塊被集成以向汽車使用者提供更多功能。然而，這趨勢(shì)也令汽車電子工程師面臨更多的挑戰(zhàn)：數(shù)字元件的增多導(dǎo)致電源電壓下降以及元件內(nèi)電流上升，加上政府法規(guī)對(duì)二氧化碳排放的要求日趨嚴(yán)苛，以及消費(fèi)者對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的要求，工程師需要從電源管理模塊的設(shè)計(jì)方面考慮如何降低功耗，減小靜態(tài)電流，提升系統(tǒng)能效并符合各種環(huán)境法規(guī)及安全標(biāo)準(zhǔn)。

電源能效

盡量提升電源能效一直是設(shè)計(jì)的一個(gè)核心目標(biāo)。從熱力學(xué)角度來講，現(xiàn)實(shí)世界的能量轉(zhuǎn)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(yuǎn)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(guān)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(guān)式穩(wěn)壓器僅需2.8 W的輸入功率，能效高達(dá)90%。

因此，開關(guān)方案提供比線性方案更高的能效。對(duì)設(shè)計(jì)師來說，了解從線性方案邁向開關(guān)方案的設(shè)計(jì)考量及其對(duì)設(shè)計(jì)的影響是很有必要的。

開關(guān)電源設(shè)計(jì)考量

根據(jù)開關(guān)電源的工作原理，通過導(dǎo)通和關(guān)斷的開關(guān)狀態(tài)對(duì)輸入電壓進(jìn)行增加/減小/逆變的脈沖調(diào)制，這是優(yōu)于線性方案只能減小輸入電平的又一優(yōu)勢(shì)。然而，開關(guān)方案也有很多弊端，由于其復(fù)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(guān)的性質(zhì)導(dǎo)致其除噪性能差。

為減輕開關(guān)電源弊端，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(chǎn)生的敏感頻段;

采用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)、決定光譜含量和去耦方案降低排放峰值。

(二)外部元件數(shù)量

集成的電源開關(guān)可減小布線尺寸，功耗比板外電源開關(guān)更低，且更易于設(shè)計(jì)。

(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(guān)頻率增加，使能效得以提升，同時(shí)減弱PCB電磁輻射和電磁干擾。但需注意盡量使導(dǎo)通和開關(guān)損耗最小化，降低噪聲。

(四)反饋回路設(shè)計(jì)

為匹配輸出阻抗的后穩(wěn)壓器選擇合適的負(fù)輸入電阻以避免振蕩，達(dá)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(bǔ)償;頻率補(bǔ)償可通過選擇單極響應(yīng)控制方案來實(shí)現(xiàn)。

(五)瞬態(tài)電流

將線性穩(wěn)壓器和開關(guān)電源并聯(lián)，可減小瞬態(tài)電流，稱為混合開關(guān)電源;且可根據(jù)線路負(fù)載情況，以恒定的開和關(guān)條件進(jìn)行脈沖頻率調(diào)制。

汽車系統(tǒng)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)演變

工程師須視具體的應(yīng)用為汽車系統(tǒng)選擇合適的電源管理設(shè)計(jì)方案。

圖一：汽車系統(tǒng)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)演變概覽

混合線性/開關(guān)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(dòng)安全系統(tǒng)的重要性的與日俱增，先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)逐漸從高檔車應(yīng)用擴(kuò)展至中低檔車，它通過協(xié)助駕駛員控制車輛的復(fù)雜過程以提供更安全便利的駕駛體驗(yàn)如自適應(yīng)巡航控制、盲點(diǎn)監(jiān)控、車道偏離警報(bào)、夜視、車道保持協(xié)助、以及具自動(dòng)轉(zhuǎn)向和制動(dòng)措施的碰撞警報(bào)系統(tǒng)。下一代ADAS系統(tǒng)將可令駕駛體驗(yàn)進(jìn)一步自動(dòng)化，如：用智能手機(jī)app協(xié)助自動(dòng)停車;搭載V2X通訊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輛與車輛或車輛與外界環(huán)境的即時(shí)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(zhì)雷達(dá)傳感器平臺(tái)識(shí)別事故隱患，作出靈敏反應(yīng)并自主采取行動(dòng)，提供多重安全功能的同時(shí)降低成本。

圖二：ADAS系統(tǒng)

這就需要配以系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片(SBC), 通過通信技術(shù)如以太網(wǎng)成功連接車輛中的各部分如攝像頭、GPS、雷達(dá)和旋轉(zhuǎn)編碼器來實(shí)現(xiàn)。由于ADAS系統(tǒng)高集成度的復(fù)雜性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要為其選擇高精度和可定制的電源和功率模塊，為電源部分提供專用功能如看門狗功能、電源監(jiān)控冗余功能以及電壓監(jiān)控功能，以保證符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)的汽車安全完整性(ASLI) B等級(jí)，實(shí)現(xiàn)整車功能性安全和更安全的駕駛體驗(yàn)。

圖三：以太網(wǎng)SBC技術(shù)實(shí)現(xiàn)ADAS的集成要求

隨著燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的二氧化碳排放協(xié)議的推行，啟停系統(tǒng)的市場(chǎng)需求日益增加。所謂啟停系統(tǒng)，即在汽車行駛過程中臨時(shí)停車的時(shí)候自動(dòng)熄火，需要繼續(xù)前進(jìn)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)重啟內(nèi)燃機(jī)，從而減少發(fā)動(dòng)機(jī)空閑的時(shí)間，以減少燃油消耗和二氧化碳排放。

內(nèi)燃機(jī)無法自行啟動(dòng)，需要外力引發(fā)燃燒循環(huán)。這是啟動(dòng)電機(jī)的用途所在，當(dāng)插入點(diǎn)火開關(guān)鑰匙并將開關(guān)扭至“開”，啟動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)。然而，啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄發(fā)動(dòng)引擎需要的電流量非常大，導(dǎo)致在啟動(dòng)階段汽車電池電壓顯著下降。為避免啟動(dòng)階段的壓降，混合線性/SMPS方案被進(jìn)一步改進(jìn)，于降壓穩(wěn)壓器和電池供電的LDO之間添加啟停預(yù)升壓器(如圖一右上角所示)，它基于點(diǎn)火開關(guān)打開和關(guān)閉，以滿足啟停系統(tǒng)的低壓?jiǎn)?dòng)。預(yù)升壓器通常采用大功率集中式多相升壓和分布式小功率單相升壓等方法，用以避免電壓驟降導(dǎo)致的異常，并符合12 V系統(tǒng)的 ISO 16750標(biāo)準(zhǔn)。

開關(guān)電源方案典型用于駕駛信息系統(tǒng)

駕駛信息系統(tǒng)包括車輛內(nèi)外的信息系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及娛樂系統(tǒng)，是汽車發(fā)展的主要部分。油耗、車速、導(dǎo)航、娛樂及ADAS系統(tǒng)等信息都可通過儀表盤和中控面板向駕駛員顯示。Nvidia、Intel等廠商不斷提升系統(tǒng)集成能力并開發(fā)智能解決方案，通過圖形處理器集成和連接各種不同車輛的功能。由于系統(tǒng)內(nèi)部需要進(jìn)行大量的計(jì)算，所以駕駛信息系統(tǒng)屬于高功率應(yīng)用，可采用開關(guān)電源方案。單相/多相SMPS作為用于駕駛信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，可根據(jù)實(shí)時(shí)使用狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)，減少不必要的功耗。安森美半導(dǎo)體的NCV8901系列是集成降壓SMPS的轉(zhuǎn)換器，輸出電流為1.2 A，工作頻率為2 MHz，輸入電壓范圍4.5 V 至36 V，可耐受40 V拋負(fù)載電壓，芯片工作結(jié)溫為-40℃至150℃，體積小，輸出精度高，可在駕駛信息系統(tǒng)中使用。