高性能汽車中的電源設計

引言

高可靠性、低成本、極短的研發(fā)周期等等相互沖突的設計要求迫使電源設計人員采用新的具有突破性的技術方案，而這些技術是傳統(tǒng)的汽車電源設計中不曾涉足的。

汽車電源設計的基本原則

大多數(shù)汽車電源架構需要遵循六項基本原則：

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換IC的輸入電壓范圍。

ISO7637-1行業(yè)標準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標準給出的波形，圖中顯示了高壓汽車電源轉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轉換器的最低效率進行設計。

精心設計的開關電源轉換器的效率通常高于線性穩(wěn)壓器，較高的轉換效率可以省去電源設計中的大尺寸散熱片和大的封裝外形。多數(shù)廉價的小尺寸裸焊盤封裝即可在85℃時耗散2W功率，在125℃時耗散1W功率。20W以上的大功率設計對于熱管理要求比較嚴格，需要采用同步整流架構。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。即使當發(fā)動機工作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，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。

4)成本控制：OEM廠商需要折中考慮模塊成本、開發(fā)/認證成本、產(chǎn)品上市時間以及規(guī)格指標。在成本允許的前提下保證最優(yōu)設計，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、器件布局及其設計因素有關。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：在電源設計中PCB和元件布局會限制電源的整體性能。

結構設計、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計。而利用負載點電源產(chǎn)生所有必要的電源也會導致高成本，將眾多元件集于單一芯片并不理想。電源設計人員需要根據(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：一個工作電路所產(chǎn)生的電磁干擾可能導致另一個電路無法正常運行。例如，無線電頻道的干擾可能導致安全氣囊的誤動作，為了避免這些負面影響，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，DC-DC轉換器的類型、拓撲結構、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設計者研究出了各種限制EMI的技術。外部時鐘同步、高于AM調制頻段的工作頻率、內置MOSFET、軟開關技術、擴頻技術等都是近年推出的EMI抑制方案。

應用與功率需求

大多數(shù)系統(tǒng)電源的基本架構選擇應從電源要求以及汽車廠商定義的電池電壓瞬變波形入手。對于電流的要求應該反映到電路板的散熱設計。表1歸納了大多數(shù)設計的電路及電壓要求。

通用電源的拓撲架構

這里列出了四種常用的電源架構，總結了最近三年汽車領域的典型設計架構。當然，用戶可以通過不同方式實現(xiàn)具體的設計要求，多數(shù)方案可歸納為這四種結構中的一種。

方案 1

該架構為優(yōu)化DC-DC轉換器的效率、布局、PCB散熱及噪聲指標提供了一種靈活設計。方案1的主要優(yōu)勢是：

·增加核設計的靈活性。即使不是最低成本/最高效率的解決方案，增加一個獨立的轉換器有助于重復利用原有設計。

·有助于合理利用開關電源和線性穩(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計來說過于復雜。

方案 2

該方案是高集成度與設計靈活性的折衷，與方案1相比，在成本、外形尺寸和復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，而在需要時可以關閉5V電源，以節(jié)省IQ電流。另一種應用是產(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。內置MOSFET的轉換器，設計人員應注意不要在PCB的同一位置耗散過多的熱量。

方案 3

這一架構把多路高壓轉換問題轉化成一路高壓轉換和一個高度集成的低壓轉換IC，相對于多輸出高壓轉換IC，高集成度低壓轉換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換和管理功能，突破了電源設計中的諸多限制。但是，高集成度也存在一定的負面影響。

·在高集成度PMIC中，集成度與驅動能力總是相互矛盾。例如，在產(chǎn)品升級時，原設計中內置MOSFET的穩(wěn)壓器可能無法滿足新設計中的負載驅動要求。

·把低壓轉換器級聯(lián)到高壓轉換器有助于降低成本，但這種方式受限于穩(wěn)壓器的開/關控制。例如，如果5V電源關閉時必須開啟3.3V電源，就無法將3.3V輸入連接到5V電源輸出；否則將不能關閉5V電源，造成較高的靜態(tài)電流IQ。

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，能夠提供獨特的高性能解決方案。電源產(chǎn)品包括過壓保護、微處理器監(jiān)控、開關轉換器和線性穩(wěn)壓器等高度集成的多功能PMIC (如圖4所示)。電源IC符合汽車級質量認證和生產(chǎn)要求，例如：AECQ100認證、DFMEA、不同的溫度等級(包括85℃、105℃、125℃、135℃)、特殊的封裝要求。