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高性能汽车中的电源设计
发布时间:2016-10-29 阅读：次 [打印文章] [关闭窗口]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。
电感磁环 
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差模电感器会制约高芯片集成电源的设计。而利用共模电感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、电路板布局及塑封电感器屏蔽都非常重要。贴片电感经过多年的积累，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。
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