嵌入式方案：高性能汽车中的电源设计

引言
          高可靠性、低成本、极短的研发周期等等相互冲突的设计要求迫使电源设计人员采用新的具有突破性的技术方案，而这些技术是传统的汽车电源设计中不曾涉足的。
          汽车电源设计的基本原则
          大多数汽车电源架构需要遵循六项基本原则：
          1)输入电压范围VIN：12V电池电压的瞬间波动范围决定了电源转换IC的输入电压范围。
          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。
        
             
          
   
          2)散热考虑：散热需要根据DC-DC转换器的最低效率进行设计。
          精心设计的开关电源转换器的效率通常高于线性稳压器，较高的转换效率可以省去电源设计中的大尺寸散热片和大的封装外形。多数廉价的小尺寸裸焊盘封装即可在 85℃时耗散2W功率，在125℃时耗散1W功率。20W以上的大功率设计对于热管理要求比较严格，需要采用同步整流架构。高效率的外部MOSFET控制器有助于改善电源的散热能力。
          3)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。即使当发动机工作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：100μA/ECU。
          4)成本控制：OEM厂商需要折中考虑模块成本、开发/认证成本、产品上市时间以及规格指标。在成本允许的前提下保证最优设计，电源部分的材料清单在成本上可能占据非常重要的地位。
          模块成本与PCB类型、散热片、器件布局及其设计因素有关。例如，用FR-4 4层板代替CM-3单层板对于PCB的散热会产生很大差异。
          5)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。
          6)电磁辐射：一个工作电路所产生的电磁干扰可能导致另一个电路无法正常运行。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。
          应用与功率需求
          大多数系统电源的基本架构选择应从电源要求以及汽车厂商定义的电池电压瞬变波形入手。对于电流的要求应该反映到电路板的散热设计。表1归纳了大多数设计的电路及电压要求。
   
          通用电源的拓扑架构
   
          这里列出了四种常用的电源架构，总结了最近三年汽车领域的典型设计架构。当然，用户可以通过不同方式实现具体的设计要求，多数方案可归纳为这四种结构中的一种。
          方案 1
          该架构为优化DC-DC转换器的效率、布局、PCB散热及噪声指标提供了一种灵活设计。
方案1的主要优势是：
          ·增加核设计的灵活性。即使不是最低成本/最高效率的解决方案，增加一个独立的转换器有助于重复利用原有设计。
          ·有助于合理利用开关电源和线性稳压器。例如，相对于直接从汽车电池降压到1.8V，从3.3V电压产生1.8V300mA的电源效率更高、成本也更低。
          ·分散PCB的热量，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。
          方案1的缺点是：较大的电路板面积、成本相对较高、对于有多路电源需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。特别适合2路降压输出并需要独立控制的方案。例如，要求3.3V电源不间断供电，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5V和8V电源，利用这种方案可以省去一个从5V电压升压的 boost转换器。
          采用外置MOSFET的两路输出控制器可以提供与方案相同的PCB布板灵活性，便于散热。内置MOSFET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IC，高集成度低压转换IC成本较低，且容易从市场上得到。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
          最新推出的高集成度PMIC可以在单芯片上集成所有必要的电源转换和管理功能，突破了电源设计中的诸多限制。但是，高集成度也存在一定的负面影响。
          ·在高集成度PMIC中，集成度与驱动能力总是相互矛盾。例如，在产品升级时，原设计中内置MOSFET的稳压器可能无法满足新设计中的负载驱动要求。
          ·把低压转换器级联到高压转换器有助于降低成本，但这种方式受限于稳压器的开/关控制。例如，如果5V电源关闭时必须开启3.3V电源，就无法将3.3V输入连接到5V电源输出；否则将不能关闭5V电源，造成较高的静态电流IQ。
          Maxim的汽车电源解决方案
          Maxim的汽车电源IC克服了许多电源管理问题，能够提供独特的高性能解决方案。电源产品包括过压保护、微处理器监控、开关转换器和线性稳压器等高度集成的多功能PMIC (如图4所示)。电源IC符合汽车级质量认证和生产要求，例如：AECQ100认证、DFMEA、不同的温度等级(包括85℃、105℃、125℃、 135℃)、特殊的封装要求。