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1、高性能汽车电源设计的发展趋势| 来源：电子元件件技术网 | 20009年009月099日 | 字体：小 大 | 点击推荐荐给好友 256 关键词：汽汽车电子 Maxiim 电源设计计2012年年，欧洲、日日本和美国国的汽车市市场将有超超过半数的的汽车安装装彩色显示示器、导航航系统、卫卫星通信以以及其它车车载信息娱娱乐系统，因因此，20012年汽汽车市场的的电源需求求将于传统统设计有很很大差异。汽车电源设计的六项基本原则大多数汽车电源架构需要遵循六项基本原则：.输入电压VIN范围：12V电池电压的瞬变范围决定了电源转换IC的输入电压范围。典型的汽车电池电压范围为9V至16V，发动机关闭时，汽车电
2、池的标称电压为12V；发动机工作时，电池电压在14.4V左右。但是，不同条件下，瞬态电压也可能达到100V。ISO7637-1行业标准定义了汽车电池的电压波动范围。图1和图2所示波形即为ISO7637标准给出的部分波形，图中显示了高压汽车电源转换器需要满足的临界条件。除了ISO7637-1，还有一些针对燃气发动机定义的电池工作范围和环境。大多数新的规范是由不同的OEM厂商提出的，不一定遵循行业标准。但是，任何新标准都要求系统具有过压和欠压保护。 图1.冷启动电压波形 图2.抛负载电压波形.散热考虑：散热需要根据DC-DC转换器的最低效率进行设计。空气流通较差甚至没有空气流通的应用场合，如果环境
3、温度较高(30C)，外壳存在热源(1W)，设备会迅速发热(85C)。例如，大多数音频放大器需要安装在散热片上，并需要提供良好的空气流通条件以耗散热量。另外，PCB材料和一定的覆铜区域有助于提高热传导效率，从而达到最佳的散热条件。如果不使用散热片，封装上的裸焊盘的散热能力限制在2W至3W(85C)。随着环境温度升高，散热能力会明显降低。将电池电压转换成低压(例如：3.3V)输出时，线性稳压器将损耗75%的输入功率，效率极低。为了提供1W的输出功率，将会有3W的功率作为热量消耗掉。受环境温度和管壳/结热阻的限制，将会明显降低1W最大输出功率。对于大多数高压DC-DC转换器，输出电流在150mA至2
4、00mA范围时，LDO能够提供较高的性价比。将电池电压转换成低压(例如：3.3V)，功率达到3W时，需要选择高端开关型转换器，这种转换器可以提供30W以上的输出功率。这也正是汽车电源制造商通常选用开关电源方案，而排斥基于LDO的传统架构的原因。大功率设计(20W)对于热管理要求比较严格，需要采用同步整流架构。为了获得高于单个封装的散热能力，避免封装“发热”，可以考虑使用外部MOSFET驱动器。.静态工作电流(IQ)及关断电流(ISD)：随着汽车中电子控制单元(ECU)数量的快速增长，从汽车电池消耗的总电流也不断增长。即使当发动机关闭并且电池电量耗尽时，有些ECU单元仍然保持工作。为了保证静态工
5、作电流IQ在可控范围内，大多数OEM厂商开始对每个ECU的IQ加以限制。例如欧盟提出的要求是：100A/ECU。绝大多数欧盟汽车标准规定ECU的IQ典型值低于100A。始终保持工作状态的器件，例如：CAN收发器、实时时钟和微控制器的电流损耗是ECUIQ的主要考虑因素，电源设计需要考虑最小IQ预算。.成本控制：OEM厂商对于成本和规格的折中是影响电源材料清单的重要因素。对于大批量生产的产品，成本是设计中需要考虑的重要因素。PCB类型、散热能力、允许选择的封装及其它设计约束条件实际受限于特定项目的预算。例如，使用4层板FR4和单层板CM3，PCB的散热能力就会有很大差异。项目预算还会导致另一制约条
6、件，用户能够接受更高成本的ECU，但不会花费时间和金钱用于改造传统的电源设计。对于一些成本很高的新的开发平台，设计人员只是简单地对未经优化的传统电源设计进行一些简单修整。.位置/布局：在电源设计中PCB和元件布局会限制电源的整体性能。结构设计、电路板布局、噪声灵敏度、多层板的互连问题以及其它布板限制都会制约高芯片集成电源的设计。而利用负载点电源产生所有必要的电源也会导致高成本，将众多元件集于单一芯片并不理想。电源设计人员需要根据具体的项目需求平衡整体的系统性能、机械限制和成本。.电磁辐射：随时间变化的电场会产生电磁辐射，辐射强度取决于场的频率和幅度，一个工作电路所产生的电磁干扰会直接影响另一电
7、路。例如，无线电频道的干扰可能导致安全气囊的误动作，为了避免这些负面影响，OEM厂商针对ECU单元制定了最大电磁辐射限制。为保持电磁辐射(EMI)在受控范围内，DC-DC转换器的类型、拓扑结构、外围元件选择、电路板布局及屏蔽都非常重要。经过多年的积累，电源IC设计者研究出了各种限制EMI的技术。外部时钟同步、高于AM调制频段的工作频率、内置MOSFET、软开关技术、扩频技术等都是近年推出的EMI抑制方案。应用与功率率需求大多多数系统电电源的基本本架构选择择应从电源源要求以及及汽车厂商商定义的电电池电压瞬瞬变波形入入手。对于于电流的要要求应该反反映到电路路板的散热热设计。表表1归纳了了大多数设设
8、计的电路路及电压要要求。 表1.通用电源源及电压要要求; 通用电电源的拓扑扑架构图3.电源结构构选项：RReg1：8V(CCD/DVVD驱动器器)；Reeg2：55V(CC)；Reeg3：33.3V(C)；Reg44：2.55V/1.8V(DDSP)；Reg55：1.22V(存储储器)。与与数字CMMOS工艺艺类似，模模拟BiCCMOS也也在不断地地缩小设计计的几何尺尺寸，以求求获得最佳佳的投资回回报，降低低工艺开发发的风险。但但是，工艺艺优化的方方向并不符符合汽车应应用的需求求。例如：大多数集集成工艺针针对降低55.5V至至6V输入入电压范围围的器件成成本进行优优化，但尚尚未对9VV至10V
9、V输入器件件的制造工工艺进行成成本优化。这这也正是设设计中需要要产生中等等电源，进进而产生低低压的原因因。以下列列出了四种种常用的电电源架构，总总结了最近近三年汽车车领域的典典型设计架架构。当然然，用户可可以通过不不同方式实实现具体的的设计要求求，多数方方案可归纳纳为这四种种结构中的的一种。方方案1该架架构为优化化DC-DDC转换器器的效率、布布局、PCCB散热及及噪声指标标提供了极极大的灵活活性。方案案1的主要要优势是：增加核设设计的灵活活性。设计计提供不同同的电压选选项，以满满足特定的的设计要求求。即使不不是最低成成本/最高高效率的解解决方案，增增加一个独独立的转换换器有助于于重复利用用原
10、有设计计。有助于于合理利用用开关电源源/线性稳稳压器。例例如，如果果系统中提提供为处理理器供电的的3.3VV电源，相相对于直接接从汽车电电池降压到到1.8VV，从3.3V电压压产生1.8V3000mA的的电源效率率更高、成成本也更低低。如果新新设计中需需要更改电电源电压，旧旧的电源模模块不再满满足要求时时，设计人人员可以很很容易地选选择一个替替代模块，不不会造成任任何浪费。合理分配PCB散热，这为选择转换器的位置及散热提供了灵活性。允许使用高性能、高性价比的低电压模拟IC，与高压IC相比，这种方案提供了更宽的选择范围。另外需要注意的是：方案1占用较大的电路板面积、成本相对较高，对于有多路电源需
11、求的设计来说过于复杂。方案2该方案是高集成度与设计灵活性的折衷，与方案1相比，在成本、外形尺寸和复杂度方面具有一定的优势。该方案特别适合两路降压输出并需要独立控制的应用。例如，3.3V不间断供电电源，而在需要时可以关闭5V电源，以节省IQ电流。另一种应用是产生中等电源，例如5V，为低压转换器供电，利用这种方案可以省去一个产生8V的boost转换器。采用外置FET的双输出控制器可以提供与方案1相同的PCB布板灵活性，便于散热。内置FET的转换器，设计人员应注意不要在PCB的同一位置耗散过多的热量。方案3这一架构把多路高压转换问题转化成一路高压转换和一个高度集成的低压转换IC，相对于多输出高压转换
12、IC，高集成度低压转换IC成本较低，且容易从市场上得到。这种方案有助于简化电源设计，可以方便地从不同供应商获得替代器件。另外，高度集成的低压IC要比多路高压IC的成本低。如果方案3中的低压PMIC有两路以上输出，那么方案3将存在与方案4相同的缺陷。方案3的主要劣势是多路电压集中在同一芯片，布板时需要慎重考虑PCB散热问题。方案4 最最新推出的的高集成度度PMICC可以在单单芯片上集集成所有必必要的电源源转换和管管理功能，突突破了电源源设计中的的诸多限制制。但是，高高集成度也也存在一定定的负面影影响。在高高集成度PPMIC中中，集成度度与驱动能能力总是相相互矛盾。例例如，在产产品升级时时，原设计计中内置MMOSFEET的稳压压器可能无无法满足新新设计中的的负载驱动动要求。把把低压转换换器级联到到高压转换换器有助于于降低成本本，但这种种方式受限限于稳压器器的开/关关控制。例例如，如果果5V电源源关闭时必必须开启33.3V电电源，就无无法将3.3V输入入连接到55V电源输输出；否则则将不能关关闭5V电电源，造成成较高的静静态电流IIQ。EMMI和负载载点转换器器可能会制制约核心PPMIC的的使用，电电路板布局局以及较长长的引线可可能无法使使用PMIIC能够提提供的电源源电压。本文链接：httpp:/wwww.eelexccon.ccom/nnews/58911.htmml12 末页页