高性能汽車中的電源設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)要求迫使電源設(shè)計(jì)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(jì)中不曾涉足的。

汽車電源設(shè)計(jì)的基本原則

大多數(shù)汽車電源架構(gòu)需要遵循六項(xiàng)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(zhuǎn)換IC的輸入電壓范圍。

ISO7637-1行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義了汽車電池的電壓波動(dòng)范圍。圖1和圖2所示波形即為ISO7637標(biāo)準(zhǔn)給出的波形，圖中顯示了高壓汽車電源轉(zhuǎn)換器需要滿足的臨界條件。

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

精心設(shè)計(jì)的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的效率通常高于線性穩(wěn)壓器，較高的轉(zhuǎn)換效率可以省去電源設(shè)計(jì)中的大尺寸散熱片和大的封裝外形。多數(shù)廉價(jià)的小尺寸裸焊盤封裝即可在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(shè)計(jì)對于熱管理要求比較嚴(yán)格，需要采用同步整流架構(gòu)。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(dòng)機(jī)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(nèi)，大多數(shù)OEM廠商開始對每個(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廠商需要折中考慮模塊成本、開發(fā)/認(rèn)證成本、產(chǎn)品上市時(shí)間以及規(guī)格指標(biāo)。在成本允許的前提下保證最優(yōu)設(shè)計(jì)，電源部分的材料清單在成本上可能占據(jù)非常重要的地位。

模塊成本與PCB類型、散熱片、器件布局及其設(shè)計(jì)因素有關(guān)。例如，用FR-4 4層板代替CM-3單層板對于PCB的散熱會產(chǎn)生很大差異。

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

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(jì)。而利用負(fù)載點(diǎn)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(jì)人員需要根據(jù)具體的項(xiàng)目需求平衡整體的系統(tǒng)性能、機(jī)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(dǎo)致另一個(gè)電路無法正常運(yùn)行。例如，無線電頻道的干擾可能導(dǎo)致安全氣囊的誤動(dòng)作，為了避免這些負(fù)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?fù)浣Y(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(jì)者研究出了各種限制EMI的技術(shù)。外部時(shí)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(kuò)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(jì)。表1歸納了大多數(shù)設(shè)計(jì)的電路及電壓要求。

通用電源的拓?fù)浼軜?gòu)

這里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(jì)架構(gòu)。當(dāng)然，用戶可以通過不同方式實(shí)現(xiàn)具體的設(shè)計(jì)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(biāo)提供了一種靈活設(shè)計(jì)。方案1的主要優(yōu)勢是：

增加核設(shè)計(jì)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(dú)立的轉(zhuǎn)換器有助于重復(fù)利用原有設(shè)計(jì)。

有助于合理利用開關(guān)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(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(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(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(shè)計(jì)來說過于復(fù)雜。

方案 2

該方案是高集成度與設(shè)計(jì)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。特別適合2路降壓輸出并需要獨(dú)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(jié)省IQ電流。另一種應(yīng)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(zhuǎn)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(nèi)置MOSFET的轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)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(gè)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。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(jì)中的諸多限制。但是，高集成度也存在一定的負(fù)面影響。

在高集成度PMIC中，集成度與驅(qū)動(dòng)能力總是相互矛盾。例如，在產(chǎn)品升級時(shí)，原設(shè)計(jì)中內(nèi)置MOSFET的穩(wěn)壓器可能無法滿足新設(shè)計(jì)中的負(fù)載驅(qū)動(dòng)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(shí)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。

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(dú)特的高性能解決方案。電源產(chǎn)品包括過壓保護(hù)、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 (如圖4所示)。電源IC符合汽車級質(zhì)量認(rèn)證和生產(chǎn)要求，例如：AECQ100認(rèn)證、DFMEA、不同的溫度等級(包括85℃、105℃、125℃、135℃)、特殊的封裝要求。