如何實(shí)現(xiàn)汽車電源的高性能設(shè)計(jì)

　　引言

　　電源是汽車的一個重要的環(huán)節(jié)，電源的好壞直接影響汽車的性能，對電源的要求很，因具有壽命長，性能好，成本低等特點(diǎn)。但這些方面存在矛盾。需要用特殊的方法也解決這些問題。

　　汽車電源設(shè)計(jì)的基本原則

　　汽車電源又叫電源逆變器，是一種能夠?qū)C12V直流電轉(zhuǎn)換為和市電相同的AC220V交流電，供一般電器使用，是一種方便的電源轉(zhuǎn)換器，由于常用于汽車而得名。汽車電源一般使用汽車電瓶或者點(diǎn)煙器供電，先將這樣的低壓直流電轉(zhuǎn)換為265V左右的直流電；然后是真正的轉(zhuǎn)變階段，它將高壓的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?20V、50Hz的交流電。有了汽車電源，您就可以把家里所有的小家電搬到車上使用，如手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、車用冰箱、攝像機(jī)、DVD等，從而使人在車?yán)镉幸环N置身家中的感覺。自它面世以后，那些在車?yán)锸褂秒娖鞯闹T多局限將不復(fù)存在，可以使人真正享受“與家同行，與世界相通”的感覺。

　　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范圍決定了電源轉(zhuǎn)換IC的輸入電壓范圍。

　　汽車電源充分考慮到外部的使用環(huán)境，當(dāng)發(fā)生過載或短路現(xiàn)象時(shí)將自動保護(hù)關(guān)機(jī)。汽車電源的輸出電壓通過本身的反饋確認(rèn)可以使電壓穩(wěn)定，空載與額定的電壓值變化小于10V。需要說明的是，汽車電源的目的是輸出和市電相同的電壓，滿足用電器的需要，但實(shí)際上汽車電源輸出的是模擬正弦波，而市電是真正的正弦波，兩者略有不同，一般不影響使用，這是汽車電源的工作原理決定的。

　　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。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ECU的IQ加以限制。

　　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：一個工作電路所產(chǎn)生的電磁干擾可能導(dǎo)致另一個電路無法正常運(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)

　　降壓變換器是構(gòu)成大多數(shù)開關(guān)變換器架構(gòu)基礎(chǔ)的基本拓?fù)?。它是最通用的拓?fù)?，在分布電源系統(tǒng)中會用到這種拓?fù)洌驗(yàn)楸仨氉儞Q高dc電壓（48V）到較低的電壓，而且功耗小。開關(guān)是一個功率晶體管（通常是MOSFET），其柵極由執(zhí)行脈寬調(diào)制（PWM）的IC驅(qū)動它控制占空比（晶體管的開關(guān)時(shí)間），從而控制輸出電壓大小。

　　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。

　　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)動能力總是相互矛盾。

　　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。

　　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、特殊的封裝要求。