整理汽車電源設(shè)計的六個基本原則

多數(shù)汽車的電源架構(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。本文將對汽車電源設(shè)計應(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。

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，還有一些針對燃氣發(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、拓撲結(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。