促進(jìn)汽車電源轉(zhuǎn)型我們需做哪些方面的努力

　　隨著科技的發(fā)展和生活的進(jìn)步，人們對汽車各方面的要求越來越高，如汽車的便利性、安全性、舒適性以及環(huán)保節(jié)能等方面。汽車也已由最初的以機(jī)械部件為主演變至機(jī)電一體化，且對電子技術(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)對二氧化碳排放的要求日趨嚴(yán)苛，以及消費(fèi)者對燃油經(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。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。

　　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)傳感器平臺識別事故隱患，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。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，實(shí)現(xiàn)整車功能性安全和更安全的駕駛體驗(yàn)。

　　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。

　　汽車電源朝48 V 系統(tǒng)進(jìn)發(fā)

　　因應(yīng)不斷提升的節(jié)能減排的需求/規(guī)范，輕型48 V系統(tǒng)銷量近十年來一直在增長。48 V結(jié)構(gòu)由12 V和48 V網(wǎng)絡(luò)組成，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間通過雙向輸出的SMPS相連，結(jié)合傳統(tǒng)的12 V或14 V網(wǎng)絡(luò)，像大多數(shù)傳統(tǒng)車輛一樣采用鉛酸電池。一個(gè)48 V鋰離子電池配備一個(gè)獨(dú)立的48 V網(wǎng)絡(luò)。12 V網(wǎng)絡(luò)處理傳統(tǒng)的負(fù)載：照明、點(diǎn)火、娛樂、音頻系統(tǒng)以及電子模塊。48 V系統(tǒng)支持主動(dòng)底盤系統(tǒng)、空調(diào)壓縮機(jī)和再生制動(dòng)。48 V結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)在于它結(jié)合了雙壓設(shè)置及眾所周知的啟停技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，更有效地捕捉車輛制動(dòng)能量，為不斷增加的電氣負(fù)載提供更高功率，同時(shí)提升可能高達(dá) 15%的燃油能效;此外，它還減小傳送到負(fù)載的電流、減少線束重量從而提升電源能效。