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詳述汽車電源設(shè)計的六個基本原則

作者: 時間:2016-12-08 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  多數(shù)汽車電源架構(gòu)在設(shè)計時都要遵循最基本的原則,但不是每個設(shè)計師都對這些原則有很透徹的了解。本文將對應(yīng)遵循的六大基本原則進行一一的講解,讓設(shè)計師的基本功更加扎實。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201612/327646.htm

  以下是汽車電源架構(gòu)在設(shè)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(zhuǎn)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(guān)閉時,汽車電池的標(biāo)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(dá)到±100V。ISO7637-1行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)給出的部分波形,圖中顯 示了高壓汽車電源轉(zhuǎn)換器需要滿足的臨界條件。除了ISO7637-1,還有一些針對燃?xì)獍l(fā)動機定義的電池工作范圍和環(huán)境。大多數(shù)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(biāo)準(zhǔn)。但是,任何新標(biāo)準(zhǔn)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(jù)DC-DC轉(zhuǎn)換器的最低效率進行設(shè)計

  空氣流通較差甚至沒有空 氣流通的應(yīng)用場合,如果環(huán)境溫度較高(> 30°C),外殼存在熱源(> 1W),設(shè)備會迅速發(fā)熱(> 85°C)。例如,大多數(shù)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(dǎo)效 率,從而達(dá)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(zhuǎn)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(jié)熱阻的限制,將會明顯降低1W最大輸出功率。對于大多數(shù)高壓DC-DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成低壓(例如:3.3V),功率達(dá)到3W時,需要選擇高端開關(guān)型轉(zhuǎn)換器,這種轉(zhuǎn)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(guān)電源方案,而排斥基于LDO的傳統(tǒng)架構(gòu)的原因。

  大功率設(shè)計(> 20W)對于熱管理要求比較嚴(yán)格,需要采用同步整流架構(gòu)。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(qū)動器。

  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)動機關(guān)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(nèi),大多數(shù)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(shù)歐盟 汽車標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計需要考慮最小IQ預(yù)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(chǎn)的產(chǎn)品,成本是設(shè)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(shè)計約束條件實際受限于特定項目的預(yù)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(yù)算還會導(dǎo)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(shè)計。對于一些成本很高的新的開發(fā)平臺,設(shè)計人員只是簡單地對未經(jīng)優(yōu)化的傳統(tǒng)電源設(shè)計進行一些簡單修整。

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

  結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計。而利用負(fù)載點電源產(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)計人員需要根據(jù)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(chǎn)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(chǎn)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(dǎo)致安全氣囊的誤動作,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)計者研究出了各種限制EMI的技術(shù)。外部時鐘同步、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。表1歸納了大多數(shù)設(shè)計的電路及電壓要求。

  通用電源的拓?fù)?/strong>架構(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)計架構(gòu)。當(dāng)然,用戶可以通過不同方式實現(xiàn)具體的設(shè)計要求,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。方案1的主要優(yōu)勢是:

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

  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(shè)計來說過于復(fù)雜。

  方案 2

  該方案是高集成度與設(shè)計靈活性的折衷,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(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)動能力總是相互矛盾。例如,在產(chǎn)品升級時,原設(shè)計中內(nèi)置MOSFET的穩(wěn)壓器可能無法滿足新設(shè)計中的負(fù)載驅(qū)動要求。

  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。



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