如何為汽車電子系統(tǒng)設(shè)計成本低廉的電源

審慎的系統(tǒng)設(shè)計工程師應(yīng)該放眼將來，力求能滿足未來一代的需要。他們應(yīng)該從現(xiàn)在開始便挑選可以支持42伏電池的穩(wěn)壓器，以免幾年后需要由零開始重新設(shè)計電源系統(tǒng)。LM2936HV低壓降穩(wěn)壓器芯片與 LM295X開關(guān)穩(wěn)壓器芯片是專為42伏供電總線而設(shè)計的，這兩個系列穩(wěn)壓器芯片以及相關(guān)的器件都在www.national.com/appinfo/automotive/42V.html這個網(wǎng)頁上有詳細的介紹。

氣囊的電源供應(yīng)系統(tǒng)

即使是小型的汽車目前都設(shè)有6個氣囊，而且所采用的安全標準要求極高。負責為氣囊充氣的是一款稱為爆管驅(qū)動器(squib driver)的特別芯片，該芯片必須能夠在撞車的緊急關(guān)頭立即啟動。按照圖1所示，氣囊系統(tǒng)由多個部分組成。

爆管驅(qū)動器設(shè)于車廂之內(nèi)，而電池則設(shè)于車頭蓋之下。撞車時，爆管驅(qū)動器與電池之間的線路連接可能會因為撞擊而斷開，因此安全電容器一般會設(shè)于爆管驅(qū)動器的旁邊，以便驅(qū)動器的附近有足夠的儲電可以提供動力，為氣囊充氣。

以下簡單介紹氣囊系統(tǒng)的充氣過程。氣囊系統(tǒng)設(shè)有升壓轉(zhuǎn)換器，一般來說，這些升壓轉(zhuǎn)換器都采用 sepic拓撲(sepic拓撲要求電路中采用兩個電感) 或回掃拓撲結(jié)構(gòu)(回掃拓撲中需要采用一個變壓器)。進行充氣之前，氣囊系統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)換器會先將電池電壓(Vbat)提高(這個電池電壓在負載突降時可高達 40伏)，直至達到安全電壓(Vsafe)要求的電平，這樣可確保安全電容器儲存大量電能(見圖2)。之后才將這個較高的安全電壓調(diào)低至幾伏，這個較低的電壓稱為遠程電壓(Vremote)。必須嚴格按照這個充氣準備程序，以確保其后幾級的低壓降穩(wěn)壓器出現(xiàn)較少壓降。壓降越少，功耗也就越低，效率也就越高。

圖 3：氣袋系統(tǒng)的電源分配結(jié)構(gòu) - 系統(tǒng)電路圖

由于Vremote的數(shù)值較低，其后幾級的低壓降穩(wěn)壓器即使并不屬于汽車級別的產(chǎn)品，其輸入電壓范圍也可滿足有關(guān)的要求。LP2985系列芯片便屬于這類的穩(wěn)壓器，其輸入電壓高達16伏，輸出電流為150mA，結(jié)溫可高達125℃，適用于大部分的應(yīng)用場合。

LM9076穩(wěn)壓器芯片則適用于更高溫的工作環(huán)境，其接面溫度可高達150℃。這款穩(wěn)壓器可利用8伏的輸入電壓輸出150mA的電流及5伏的電壓。在額定的工作溫度及負載范圍內(nèi)，這款穩(wěn)壓器芯片可以保持極高的輸出電壓準確度(高達2%)。由于這個結(jié)構(gòu)采用了安全電容器，因此工作時更為安全可靠。從成本的角度看，采用遠程低壓降穩(wěn)壓器無需加設(shè)任何散熱器，因此有助節(jié)省成本。由于Vsafe(Vbat(最高值)，而一級轉(zhuǎn)換器可用作升壓轉(zhuǎn)換器，因此無需采用布局較為復雜的sepic或回掃式的轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器適用于降壓穩(wěn)壓器，后者成本也較低。由于低壓降穩(wěn)壓器無需利用高壓電源，因此有多種不同的 CMOS或低電壓雙極芯片可供選擇。

有多個不同電壓輸出可供選擇

我們?nèi)舨捎瞄_關(guān)穩(wěn)壓器作為輸入級，再以多個低壓降穩(wěn)壓器提供輸出，便可降低電源系統(tǒng)的整體成本。高功率的電源系統(tǒng)甚至必須采用這樣的設(shè)計。圖4是其中一個示例。

圖 4：可提供多個輸出的配置

確定最理想的局部電壓(Vlocal)時，必須詳細考量以下各參數(shù)：

Vlocal必須低至可以確保低壓降穩(wěn)壓器不會耗散太多功率。Iout(最高值)=(Tj-Ta)/(((j,a)*(Vin-Vout))

只有在整體電壓超過指定壓降的情況下低壓降穩(wěn)壓器才會將電壓穩(wěn)定下來，因此Vlocal必須比Vx+VDox高。

本文總結(jié)

電源若采用恰當?shù)脑O(shè)計，將有助降低系統(tǒng)開發(fā)的總體成本。若應(yīng)用環(huán)境極為惡劣，例如在電池電壓、輸出電流以及溫度等都處于極高水平的情況下，我們必須考慮采用多轉(zhuǎn)換級的結(jié)構(gòu)。目前市場上有很多專為汽車電源供應(yīng)系統(tǒng)而設(shè)的穩(wěn)壓器芯片可供選擇。采用WEBENCH等免費的網(wǎng)上設(shè)計工具也有助降低設(shè)計成本以及縮短產(chǎn)品的上市時間。汽車廠商都希望縮短新車的設(shè)計周期，因此穩(wěn)壓器芯片將會更受汽車廠商的歡迎。即使是同一輛汽車，不同的子系統(tǒng)在實際應(yīng)用時也各有不同的局限，因此設(shè)計這些電子系統(tǒng)的工程師必須對這方面有相當?shù)恼J識。