中心議題：

• 介紹汽車(chē)電源設(shè)計(jì)的基本原則
• 對(duì)比通用電源拓?fù)浼軜?gòu)的幾種方案

解決方案：

• Maxim的汽車(chē)電源解決方案

引言

電源是汽車(chē)的一個(gè)重要的環(huán)節(jié),，電源的好壞直接影響汽車(chē)的性能,，對(duì)電源的要求很,，因具有壽命長(zhǎng),，性能好,，成本低等特點(diǎn),。但這些方面存在矛盾,。需要用特殊的方法也解決這些問(wèn)題,。

汽車(chē)電源設(shè)計(jì)的基本原則

汽車(chē)電源又叫電源逆變器,，是一種能夠?qū)C12V直流電轉(zhuǎn)換為和市電相同的AC220V交流電,，供一般電器使用，是一種方便的電源轉(zhuǎn)換器,，由于常用于汽車(chē)而得名,。汽車(chē)電源一般使用汽車(chē)電瓶或者點(diǎn)煙器供電，先將這樣的低壓直流電轉(zhuǎn)換為265V左右的直流電,；然后是真正的轉(zhuǎn)變階段,，它將高壓的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?20V、50Hz的交流電,。有了汽車(chē)電源,，您就可以把家里所有的小家電搬到車(chē)上使用，如手機(jī),、筆記本電腦,、數(shù)碼相機(jī)、車(chē)用冰箱,、攝像機(jī),、DVD等，從而使人在車(chē)?yán)镉幸环N置身家中的感覺(jué),。自它面世以后,，那些在車(chē)?yán)锸褂秒娖鞯闹T多局限將不復(fù)存在，可以使人真正享受“與家同行,，與世界相通”的感覺(jué),。

大多數(shù)汽車(chē)電源架構(gòu)需要遵循六項(xiàng)基本原則：

1 輸入電壓范圍VIN：12V電池電壓的瞬間波動(dòng)范圍決定了電源轉(zhuǎn)換IC的輸入電壓范圍。汽車(chē)電源充分考慮到外部的使用環(huán)境,，當(dāng)發(fā)生過(guò)載或短路現(xiàn)象時(shí)將自動(dòng)保護(hù)關(guān)機(jī),。汽車(chē)電源的輸出電壓通過(guò)本身的反饋確認(rèn)可以使電壓穩(wěn)定，空載與額定的電壓值變化小于10V,。需要說(shuō)明的是,，汽車(chē)電源的目的是輸出和市電相同的電壓，滿足用電器的需要，但實(shí)際上汽車(chē)電源輸出的是模擬正弦波,，而市電是真正的正弦波,，兩者略有不同，一般不影響使用,，這是汽車(chē)電源的工作原理決定的,。

ISO7637-1行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義了汽車(chē)電池的電壓波動(dòng)范圍,。圖1和圖2所示波形即為ISO7637標(biāo)準(zhǔn)給出的波形,，圖中顯示了高壓汽車(chē)電源轉(zhuǎn)換器需要滿足的臨界條件。

 圖1  冷啟動(dòng)電壓波形

圖2  拋負(fù)載電壓波形
 

2 散熱考慮：散熱需要根據(jù)DC-DC轉(zhuǎn)換器的最低效率進(jìn)行設(shè)計(jì),。

精心設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的效率通常高于線性穩(wěn)壓器,，較高的轉(zhuǎn)換效率可以省去電源設(shè)計(jì)中的大尺寸散熱片和大的封裝外形。20W以上的大功率設(shè)計(jì)對(duì)于熱管理要求比較嚴(yán)格,，需要采用同步整流架構(gòu),。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(guān)斷電流（ISD）：隨著汽車(chē)中電子控制單元（ECU）數(shù)量的快速增長(zhǎng),，從汽車(chē)電池消耗的總電流也不斷增長(zhǎng),。即使當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作并且電池電量耗盡時(shí)，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(kāi)始對(duì)每個(gè)ECU的IQ加以限制。

4 成本控制：OEM廠商需要折中考慮模塊成本,、開(kāi)發(fā)/認(rèn)證成本,、產(chǎn)品上市時(shí)間以及規(guī)格指標(biāo)。在成本允許的前提下保證最優(yōu)設(shè)計(jì),，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(lèi)型、散熱片,、器件布局及其設(shè)計(jì)因素有關(guān),。例如，用FR-4 4層板代替CM-3單層板對(duì)于PCB的散熱會(huì)產(chǎn)生很大差異,。

5 位置/布局：在電源設(shè)計(jì)中PCB和元件布局會(huì)限制電源的整體性能,。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路板布局,、噪聲靈敏度,、多層板的互連問(wèn)題以及其它布板限制都會(huì)制約高芯片集成電源的設(shè)計(jì)。而利用負(fù)載點(diǎn)電源產(chǎn)生所有必要的電源也會(huì)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(jì)人員需要根據(jù)具體的項(xiàng)目需求平衡整體的系統(tǒng)性能、機(jī)械限制和成本。

為保持電磁輻射（EMI）在受控范圍內(nèi)，DC-DC轉(zhuǎn)換器的類(lèi)型,、拓?fù)浣Y(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(guò)多年的積累,，電源IC設(shè)計(jì)者研究出了各種限制EMI的技術(shù)。外部時(shí)鐘同步,、高于AM調(diào)制頻段的工作頻率,、內(nèi)置MOSFET、軟開(kāi)關(guān)技術(shù),、擴(kuò)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(chē)廠商定義的電池電壓瞬變波形入手。對(duì)于電流的要求應(yīng)該反映到電路板的散熱設(shè)計(jì),。表1歸納了大多數(shù)設(shè)計(jì)的電路及電壓要求,。

通用電源的拓?fù)浼軜?gòu)

降壓變換器是構(gòu)成大多數(shù)開(kāi)關(guān)變換器架構(gòu)基礎(chǔ)的基本拓?fù)洹Ｋ亲钔ㄓ玫耐負(fù)?，在分布電源系統(tǒng)中會(huì)用到這種拓?fù)?，因?yàn)楸仨氉儞Q高dc電壓（48V）到較低的電壓，而且功耗小,。開(kāi)關(guān)是一個(gè)功率晶體管（通常是MOSFET）,，其柵極由執(zhí)行脈寬調(diào)制（PWM）的IC驅(qū)動(dòng)它控制占空比（晶體管的開(kāi)關(guān)時(shí)間），從而控制輸出電壓大小,。

這里列出了四種常用的電源架構(gòu),，總結(jié)了最近三年汽車(chē)領(lǐng)域的典型設(shè)計(jì)架構(gòu)。當(dāng)然,，用戶可以通過(guò)不同方式實(shí)現(xiàn)具體的設(shè)計(jì)要求,，多數(shù)方案可歸納為這四種結(jié)構(gòu)中的一種。

方案 1

該架構(gòu)為優(yōu)化DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率,、布局,、PCB散熱及噪聲指標(biāo)提供了一種靈活設(shè)計(jì)。方案1的主要優(yōu)勢(shì)是：

增加核設(shè)計(jì)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(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器有助于重復(fù)利用原有設(shè)計(jì),。
有助于合理利用開(kāi)關(guān)電源和線性穩(wěn)壓器。例如,，相對(duì)于直接從汽車(chē)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(zhuǎn)換器的位置及散熱提供了靈活性。
允許使用高性能,、高性價(jià)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(diǎn)是：較大的電路板面積,、成本相對(duì)較高,、對(duì)于有多路電源需求的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)過(guò)于復(fù)雜,。

方案 2

該方案是高集成度與設(shè)計(jì)靈活性的折衷，與方案1相比,，在成本,、外形尺寸和復(fù)雜度方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。特別適合2路降壓輸出并需要獨(dú)立控制的方案,。

圖3  電源結(jié)構(gòu)
 

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(nèi)置MOSFET的轉(zhuǎn)換器,，設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意不要在PCB的同一位置耗散過(guò)多的熱量,。

方案 3

這一架構(gòu)把多路高壓轉(zhuǎn)換問(wèn)題轉(zhuǎn)化成一路高壓轉(zhuǎn)換和一個(gè)高度集成的低壓轉(zhuǎn)換IC，相對(duì)于多輸出高壓轉(zhuǎn)換IC,，高集成度低壓轉(zhuǎn)換IC成本較低,，且容易從市場(chǎng)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(shì)是多路電壓集中在同一芯片，布板時(shí)需要慎重考慮PCB散熱問(wèn)題,。

圖4  汽車(chē)電源管理IC
 

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(zhuǎn)換和管理功能，突破了電源設(shè)計(jì)中的諸多限制,。但是,，高集成度也存在一定的負(fù)面影響。在高集成度PMIC中,，集成度與驅(qū)動(dòng)能力總是相互矛盾,。

把低壓轉(zhuǎn)換器級(jí)聯(lián)到高壓轉(zhuǎn)換器有助于降低成本,，但這種方式受限于穩(wěn)壓器的開(kāi)/關(guān)控制。

Maxim的汽車(chē)電源解決方案

Maxim的汽車(chē)電源IC克服了許多電源管理問(wèn)題,，能夠提供獨(dú)特的高性能解決方案。電源產(chǎn)品包括過(guò)壓保護(hù),、微處理器監(jiān)控,、開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)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(chē)級(jí)質(zhì)量認(rèn)證和生產(chǎn)要求,，例如：AECQ100認(rèn)證,、DFMEA、不同的溫度等級(jí),、特殊的封裝要求,。