安森美半導體論汽車電源設計挑戰(zhàn)及考量

電動化、智能化、互聯(lián)化正成為汽車發(fā)展新趨勢，為提升燃油經濟性的啟停系統(tǒng)、為增加主動安全性的先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、以及作為新一代智能交通基礎的駕駛信息系統(tǒng)等多個電子系統(tǒng)越來越多地被汽車設計人員所采用，多系統(tǒng)的集成在提升汽車駕乘體驗的同時，也為汽車電源設計帶來了挑戰(zhàn)。汽車電源須提供更高能效和更低能耗，以配合汽車產業(yè)的發(fā)展并符合各種環(huán)境法規(guī)及安全標準。

線性方案對比開關方案(SMPS)及設計考量

在電源轉換過程中不可避免地會發(fā)熱，穩(wěn)壓器散熱會損失一部分功率，這樣輸出功率就不可能等于輸入功率。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器在此過程中會耗散大部分能量，已無法滿足當前高功率需求類的應用。我們假定采用線性穩(wěn)壓器時需要2.5W的額定功率，以及5V輸出電壓和0.5A輸出電流，那么需提供6W的輸入功率，能效(即輸出功率除以輸入功率的比值)僅為41%，損失高達59%！而同樣情況下，開關電源僅需2.8W的輸入功率，能效高達90%。

因此，設計工程師可采用開關電源提高系統(tǒng)能效，但是開關方案也有弊端，由于其復雜的反饋回路，外部元件較線性方案多且需要更多的PCB面積，再加上開關的性質導致其降噪性能差，在設計過程中需從反饋回路設計、外部元件數(shù)、PCB面積、瞬態(tài)電流及電磁干擾等方面考慮，以減輕其弊端。

1.反饋回路設計
為匹配輸出阻抗的后穩(wěn)壓器選擇合適的負輸入電阻以避免振蕩，達到穩(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償；頻率補償可通過選擇單極響應控制方案來實現(xiàn)。
2.外部元件數(shù)
集成的電源開關可減小布線尺寸，功耗比板外電源開關更低，且更易于設計。
3.線路板面積
減小電感和電容的尺寸，占板面積得以減小，且開關頻率增加，使能效得以提升，同時減弱PCB電磁輻射和電磁干擾。但需注意盡量使導通和開關損耗最小化，降低噪聲。
4.瞬態(tài)電流
將線性穩(wěn)壓器和開關電源并聯(lián)，可減小瞬態(tài)電流，稱為混合開關電源；且可根據(jù)線路負載情況，以恒定的開和關條件進行脈沖頻率調制。
5.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)境產生的敏感頻段；
采用擴頻調制技術、決定光譜含量和去耦方案降低排放峰值。

在汽車應用中，還需考慮到電源管理模塊不斷增長的復雜性，要求處理更高電流情況的能力、低轉儲、雙電池轉移乃至需要最小工作電流等等，為系統(tǒng)選擇合適的高能效電源方案。

滿足低壓啟動的混合線性/開關電源方案

在各國紛紛推行日趨嚴苛的燃油經濟性標準和規(guī)范的二氧化碳排放協(xié)議的背景下，啟停系統(tǒng)的市場需求日益增加。所謂啟停系統(tǒng)，即在汽車行駛過程中臨時停車的時候自動熄火，需要繼續(xù)前進時系統(tǒng)自動重啟內燃機，從而減少發(fā)動機空閑的時間，以減少燃油消耗和二氧化碳排放。

內燃機無法自行啟動，需要外力引發(fā)燃燒循環(huán)。這是啟動電機的用途所在，當插入點火開關鑰匙并將開關扭至“開”，啟動電機啟動。然而，啟動電機轉動曲柄發(fā)動引擎需要的電流量非常大，導致在啟動階段汽車電池電壓顯著下降。為避免啟動階段的壓降，可在降壓穩(wěn)壓器和電池供電的LDO之間添加啟停預升壓器，它基于點火開關打開和關閉，以滿足啟停系統(tǒng)的低壓啟動。預升壓器通常采用大功率集中式多相升壓和分布式小功率單相升壓等方法，用以避免電壓驟降導致的異常，并符合12V系統(tǒng)的ISO16750標準。如安森美半導體的非同步升壓控制器NCV8876，采用2V至45V輸入電壓工作，能夠在冷啟動及45V負載突降情況下工作，其工作原理是：電池電壓正常時，NCV8876進入休眠模式；而當電池電壓降至設定電壓時，NCV8876自動喚醒，開始升壓工作。NCV8876還集成了多種保護功能，如逐周期限流保護、斷續(xù)模式過流保護及過熱關閉等。其它特性包括：峰值電流檢測、最小COMP電壓鉗位可提高切換時的響應速度等，工作溫度范圍-40℃至150℃，非常適合汽車啟停系統(tǒng)應用。

ADAS采用混合線性/開關電源方案增加輸出功率

隨著車輛主動安全系統(tǒng)的重要性的與日俱增，ADAS逐漸從高檔車應用擴展至中檔車，它通過協(xié)助駕駛員控制車輛的復雜過程以提供更安全便利的駕駛體驗如自適應巡航控制、盲點監(jiān)控、車道偏離警報、夜視、車道保持協(xié)助、以及具自動轉向和制動措施的碰撞警報系統(tǒng)。下一代ADAS將可令駕駛體驗進一步自動化，如：用智能手機app協(xié)助自動停車；搭載V2X通訊系統(tǒng)實現(xiàn)車輛與車輛或車輛與外界環(huán)境的即時信息交換，從而大大緩解交通堵塞，減少交通事故的發(fā)生；通過介質雷達傳感器平臺識別事故隱患，作出靈敏反應并自主采取行動，提供多重安全功能的同時降低成本。


圖1：先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)

這就需要配以系統(tǒng)基礎芯片(SBC),通過通信技術如以太網成功連接車輛中的各部分如攝像頭、GPS、雷達和旋轉編碼器來實現(xiàn)。由于ADAS高集成度的復雜性，系統(tǒng)設計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標準的汽車安全完整性(ASLI)B等級，實現(xiàn)整車功能性安全和更安全的駕駛體驗。


圖2：以太網SBC技術實現(xiàn)ADAS的集成要求

駕駛信息系統(tǒng)采用開關電源方案減小瞬態(tài)電流

駕駛信息系統(tǒng)包括車輛內外的信息系統(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、導航、娛樂及ADAS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)內部需要進行大量的計算，所以駕駛信息系統(tǒng)屬于高功率應用，可采用開關電源方案。單相/多相SMPS作為用于駕駛信息系統(tǒng)的關鍵技術，可根據(jù)實時使用狀況進行動態(tài)電壓調節(jié)，減少不必要的功耗。安森美半導體的NCV8901xx系列是集成降壓SMPS的轉換器，輸出電流為1.2A，工作頻率為2MHz，輸入電壓范圍4.5V至36V，可耐受40V拋負載電壓，芯片工作結溫為-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48V系統(tǒng)進發(fā)

因應不斷提升的節(jié)能減排的需求/規(guī)范，輕型48V系統(tǒng)銷量近十年來一直在增長。48V結構由12V和48V網絡組成，兩個網絡之間通過雙向輸出的SMPS相連，結合傳統(tǒng)的12V或14V網絡，像大多數(shù)傳統(tǒng)車輛一樣采用鉛酸電池。一個48V鋰離子電池配備一個獨立的48V網絡。12V網絡處理傳統(tǒng)的負載：照明、點火、娛樂、音頻系統(tǒng)以及電子模塊。48V系統(tǒng)支持主動底盤系統(tǒng)、空調壓縮機和再生制動。48V結構的關鍵優(yōu)點在于它結合了雙壓設置及眾所周知的啟停技術的優(yōu)點，更有效地捕捉車輛制動能量，為不斷增加的電氣負載提供更高功率，同時提升可能高達15%的燃油能效；此外，它還減小傳送到負載的電流、減少線束重量從而提升電源能效。

結語
汽車產業(yè)的發(fā)展趨勢要求汽車電源的設計配合，工程師在設計中須根據(jù)具體情況并綜合多方面因素靈活選用方案，如在啟停系統(tǒng)中使用預升壓控制器，在ADAS中考慮混合開關電源，駕駛信息系統(tǒng)采用純開關電源等等。為進一步提升燃油能效，48V架構/系統(tǒng)也已在討論中?？傊囯娫丛O計須視提供更高能效為核心目標，同時符合政府相關法規(guī)，并滿足消費者不斷提高的期望。