多數汽車(chē)的電源架構在設計時(shí)都要遵循最基本的原則，但不是每個(gè)設計師都對這些原則有很透徹的了解。本文將對汽車(chē)電源設計應遵循的六大基本原則進(jìn)行一一的講解，讓設計師的基本功更加扎實(shí)。

以下是汽車(chē)電源架構在設計時(shí)需要遵循的六項基本原則。

1、輸入電壓VIN范圍：12V電池電壓的瞬變范圍決定了電源轉換IC的輸入電壓范圍

典型的汽車(chē)電池電壓范圍為9V至16V，發(fā)動(dòng)機關(guān)閉時(shí)，汽車(chē)電池的標稱(chēng)電壓為12V；發(fā)動(dòng)機工作時(shí)，電池電壓在14.4V左右。但是，不同條件下，瞬態(tài) 電壓也可能達到±100V。ISO7637-1行業(yè)標準定義了汽車(chē)電池的電壓波動(dòng)范圍。圖1和圖2所示波形即為ISO7637標準給出的部分波形，圖中顯 示了高壓汽車(chē)電源轉換器需要滿(mǎn)足的臨界條件。除了ISO7637-1，還有一些針對燃氣發(fā)動(dòng)機定義的電池工作范圍和環(huán)境。大多數新的規范是由不同的OEM 廠(chǎng)商提出的，不一定遵循行業(yè)標準。但是，任何新標準都要求系統具有過(guò)壓和欠壓保護。

2、散熱考慮：散熱需要根據DC-DC轉換器的最低效率進(jìn)行設計

空氣流通較差甚至沒(méi)有空 氣流通的應用場(chǎng)合，如果環(huán)境溫度較高(> 30°C)，外殼存在熱源(> 1W)，設備會(huì )迅速發(fā)熱(> 85°C)。例如，大多數音頻放大器需要安裝在散熱片上，并需要提供良好的空氣流通條件以耗散熱量。另外，PCB材料和一定的覆銅區域有助于提高熱傳導效 率，從而達到最佳的散熱條件。如果不使用散熱片，封裝上的裸焊盤(pán)的散熱能力限制在2W至3W (85°C)。隨著(zhù)環(huán)境溫度升高，散熱能力會(huì )明顯降低。

將電池電壓轉換成低壓(例如：3.3V)輸出時(shí)，線(xiàn)性穩壓器將損耗75%的輸入功率，效率極低。為了提供1W的輸出功率，將會(huì )有3W的功率作為熱量消耗 掉。受環(huán)境溫度和管殼/結熱阻的限制，將會(huì )明顯降低1W最大輸出功率。對于大多數高壓DC-DC轉換器，輸出電流在150mA至200mA范圍時(shí)，LDO 能夠提供較高的性?xún)r(jià)比。

將電池電壓轉換成低壓(例如：3.3V)，功率達到3W時(shí)，需要選擇高端開(kāi)關(guān)型轉換器，這種轉換器可以提供30W以上的輸出功率。這也正是汽車(chē)電源制造商通常選用開(kāi)關(guān)電源方案，而排斥基于LDO的傳統架構的原因。

大功率設計(> 20W)對于熱管理要求比較嚴格，需要采用同步整流架構。為了獲得高于單個(gè)封裝的散熱能力，避免封裝“發(fā)熱”，可以考慮使用外部MOSFET驅動(dòng)器。

3、靜態(tài)工作電流(IQ)及關(guān)斷電流(ISD)

隨著(zhù)汽車(chē)中電子控制單元(ECU)數量的快速增長(cháng)，從汽車(chē)電池消耗的總電流也不斷增長(cháng)。即使當發(fā)動(dòng)機關(guān)閉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，大多數OEM廠(chǎng)商開(kāi)始對每個(gè)ECU的IQ加以限制。例如歐盟提出的要求是：100μA/ECU。絕大多數歐盟 汽車(chē)標準規定ECU的IQ典型值低于100μA。始終保持工作狀態(tài)的器件，例如：CAN收發(fā)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和微控制器的電流損耗是ECU IQ的主要考慮因素，電源設計需要考慮最小IQ預算。

4、成本控制：OEM廠(chǎng)商對于成本和規格的折中是影響電源材料清單的重要因素

對于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，成本是設計中需要考慮的重要因素。PCB類(lèi)型、散熱能力、允許選擇的封裝及其它設計約束條件實(shí)際受限于特定項目的預算。例如，使用4層板FR4和單層板CM3，PCB的散熱能力就會(huì )有很大差異。

項目預算還會(huì )導致另一制約條件，用戶(hù)能夠接受更高成本的ECU，但不會(huì )花費時(shí)間和金錢(qián)用于改造傳統的電源設計。對于一些成本很高的新的開(kāi)發(fā)平臺，設計人員只是簡(jiǎn)單地對未經(jīng)優(yōu)化的傳統電源設計進(jìn)行一些簡(jiǎn)單修整。

5、位置/布局：在電源設計中PCB和元件布局會(huì )限制電源的整體性能

結構設計、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計。而利用負載點(diǎn)電源產(chǎn)生所有必要的電源也會(huì )導致高成本，將眾多元件集于單一芯片并不理想。電源設計人員需要根據具體的項目需求平衡整體的系統性能、機械限制和成本。

6、電磁輻射

隨時(shí)間變化的電場(chǎng)會(huì )產(chǎn)生電磁輻射，輻射強度取決于場(chǎng)的頻率和幅度，一個(gè)工作電路所產(chǎn)生的電磁干擾會(huì )直接影響另一電路。例如，無(wú)線(xiàn)電頻道的干擾可能導致安全氣囊的誤動(dòng)作，為了避免這些負面影響，OEM廠(chǎng)商針對ECU單元制定了最大電磁輻射限制。

為保持電磁輻射(EMI)在受控范圍內，DC-DC轉換器的類(lèi)型、拓撲結構、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設計者研究出了各種限制EMI的技術(shù)。外部時(shí)鐘同步、高于A(yíng)M調制頻段的工作頻率、內置MOSFET、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、擴頻技術(shù)等都是近年推出的EMI抑制方案。

應用與功率需求

大多數系統電源的基本架構選擇應從電源要求以及汽車(chē)廠(chǎng)商定義的電池電壓瞬變波形入手。對于電流的要求應該反映到電路板的散熱設計。表1歸納了大多數設計的電路及電壓要求。

通用電源的拓撲架構

這里列出了四種常用的電源架構，總結了最近三年汽車(chē)領(lǐng)域的典型設計架構。當然，用戶(hù)可以通過(guò)不同方式實(shí)現具體的設計要求，多數方案可歸納為這四種結構中的一種。

方案 1

該架構為優(yōu)化DC-DC轉換器的效率、布局、PCB散熱及噪聲指標提供了一種靈活設計。方案1的主要優(yōu)勢是：

• 增加核設計的靈活性。即使不是最低成本/最高效率的解決方案，增加一個(gè)獨立的轉換器有助于重復利用原有設計。
• 有助于合理利用開(kāi)關(guān)電源和線(xiàn)性穩壓器。例如，相對于直接從汽車(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，這為選擇轉換器的位置及散熱提供了靈活性。
• 允許使用高性能、高性?xún)r(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、成本相對較高、對于有多路電源需求的設計來(lái)說(shuō)過(guò)于復雜。
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  方案 2
  該方案是高集成度與設計靈活性的折衷，與方案1相比，在成本、外形尺寸和復雜度方面具有一定的優(yōu)勢。特別適合2路降壓輸出并需要獨立控制的方案。例 如，要求3.3V電源不間斷供電，而在需要時(shí)可以關(guān)閉5V電源，以節省IQ電流。另一種應用是產(chǎn)生5V和8V電源，利用這種方案可以省去一個(gè)從5V電壓升 壓的boost轉換器。

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。內置MOSFET的轉換器，設計人員應注意不要在PCB的同一位置耗散過(guò)多的熱量。
 

方案 3
這一架構把多路高壓轉換問(wèn)題轉化成一路高壓轉換和一個(gè)高度集成的低壓轉換IC，相對于多輸出高壓轉換IC，高集成度低壓轉換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。

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換和管理功能，突破了電源設計中的諸多限制。但是，高集成度也存在一定的負面影響。

• 在高集成度PMIC中，集成度與驅動(dòng)能力總是相互矛盾。例如，在產(chǎn)品升級時(shí)，原設計中內置MOSFET的穩壓器可能無(wú)法滿(mǎn)足新設計中的負載驅動(dòng)要求。
• 把低壓轉換器級聯(lián)到高壓轉換器有助于降低成本，但這種方式受限于穩壓器的開(kāi)/關(guān)控制。例如，如果5V電源關(guān)閉時(shí)必須開(kāi)啟3.3V電源，就無(wú)法將3.3V輸入連接到5V電源輸出；否則將不能關(guān)閉5V電源，造成較高的靜態(tài)電流IQ。 

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，能夠提供獨特的高性能解決方案。電源產(chǎn)品包括過(guò)壓保護、微處理器監控、開(kāi)關(guān)轉換器和線(xiàn)性穩壓器等高 度集成的多功能PMIC (如圖4所示)。電源IC符合汽車(chē)級質(zhì)量認證和生產(chǎn)要求，例如：AECQ100認證、DFMEA、不同的溫度等級(包括85℃、105℃、125℃、135℃)、特殊的封裝要求。