汽車電源設計趨勢分析：從線性方案邁向開關方案

如今，隨著人們對汽車的便利性、安全性、舒適性以及環(huán)保節(jié)能的要求越來越高，汽車已由最初的以機械部件為主演變至機電一體化，且對電子技術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苛，以及消費者對燃油經(jīng)濟性的要求，工程師需要從電源管理模塊的設計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)及安全標準。

電源能效

盡量提升電源能效一直是設計的一個核心目標。從熱力學角度來講，現(xiàn)實世界的能量轉(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%，而開關式穩(wěn)壓器僅需2.8 W的輸入功率，能效高達90%。

因此，開關方案提供比線性方案更高的能效。對設計師來說，了解從線性方案邁向開關方案的設計考量及其對設計的影響是很有必要的。

開關電源設計考量

根據(jù)開關電源的工作原理，通過導通和關斷的開關狀態(tài)對輸入電壓進行增加/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，開關方案也有很多弊端，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(zhì)導致其除噪性能差。

為減輕開關電源弊端，系統(tǒng)設計師需作以下考量：

(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;

采用擴頻調(diào)制技術、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

集成的電源開關可減小布線尺寸，功耗比板外電源開關更低，且更易于設計。

(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。

(四)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)。

(五)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(diào)制。

汽車系統(tǒng)電源拓撲結構演變

工程師須視具體的應用為汽車系統(tǒng)選擇合適的電源管理設計方案。

圖一：汽車系統(tǒng)電源拓撲結構演變概覽

混合線性/開關電源(SMPS)方案典型用于汽車ADAS系統(tǒng)和啟停系統(tǒng)

隨著車輛主動安全系統(tǒng)的重要性的與日俱增，先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)逐漸從高檔車應用擴展至中低檔車，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(zhuǎn)向和制動措施的碰撞警報系統(tǒng)。下一代ADAS系統(tǒng)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(zhì)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。

圖二：ADAS系統(tǒng)

這就需要配以系統(tǒng)基礎芯片(SBC), 通過通信技術如以太網(wǎng)成功連接車輛中的各部分如攝像頭、GPS、雷達和旋轉(zhuǎn)編碼器來實現(xiàn)。由于ADAS系統(tǒng)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。

圖三：以太網(wǎng)SBC技術實現(xiàn)ADAS的集成要求

隨著燃油經(jīng)濟性標準和規(guī)范的二氧化碳排放協(xié)議的推行，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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)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，混合線性/SMPS方案被進一步改進，于降壓穩(wěn)壓器和電池供電的LDO之間添加啟停預升壓器(如圖一右上角所示)，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12 V系統(tǒng)的 ISO 16750標準。

開關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(diào)節(jié)，減少不必要的功耗。安森美半導體的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。