如果將今天的智能汽車(chē)看成是一個(gè)“生物”，那么汽車(chē)電子設備的電源管理系統，就像是這個(gè)“生物”的心血管系統，為其提供運轉所需的能量。不過(guò)和自然界中真實(shí)的生物不同，汽車(chē)這個(gè)物種進(jìn)化得太快了，隨著(zhù)其功能的不斷發(fā)展，對于“心血管”造成的壓力可想而知。因此，新一代汽車(chē)電源管理系統的設計，也是勢在必行。
眾所周知，汽車(chē)電子的諸多功能是由遍布車(chē)身的電子控制單元（ECU）實(shí)現的，ECU除了要提供動(dòng)力和駕控等汽車(chē)作為交通工具的“傳統藝能”，更是實(shí)現ADAS、信息娛樂(lè )主機、智能儀表盤(pán)等快速增長(cháng)的車(chē)載智能化功能的關(guān)鍵。據分析，高端汽車(chē)中集成有近百個(gè)ECU。
想要確保這么多ECU可靠而安全地運轉，為每個(gè)ECU“架設”專(zhuān)用的電源管理鏈路，使其能夠從汽車(chē)電池中獲取電力，顯然是必不可少的工作。而在這個(gè)過(guò)程中，一個(gè)突出的挑戰在于：ECU數量在增加，相應地電源管理系統會(huì )變得越來(lái)越復雜，而汽車(chē)的空間是有限的。因此，應對這樣的挑戰，如何進(jìn)行汽車(chē)電源管理系統的小型化設計，也就成了一個(gè)繞過(guò)不去的必答題。
汽車(chē)電源管理小型化設計挑戰
當然，“小型化”三個(gè)字說(shuō)說(shuō)容易，做起來(lái)并不簡(jiǎn)單。這是因為與其他的應用相比，汽車(chē)電源管理面對的約束條件更多，需要權衡的技術(shù)要素也更全面。
首先，在不影響性能的前提下，用集成度更高的解決方案替代分立器件方案，肯定是優(yōu)先考慮的方法。因此，能夠提供多路電源軌輸出，為多個(gè)用電單元供電的車(chē)用PMIC，會(huì )更受開(kāi)發(fā)者的青睞。
其次，隨著(zhù)單臺車(chē)輛上汽車(chē)電子設備數量的增加，也需要汽車(chē)管理器件有能力支持更高功率、更大電流的應用。而在某些應用中，特別是一些高性能的SoC，對于電壓軌的電壓精度等指標會(huì )有更特殊的要求。這都要求車(chē)用電源管理器件，在性能上有相應的提升和優(yōu)化。
再有，受汽車(chē)空間所限，車(chē)載電子產(chǎn)品受到的“熱約束”也更大。這就要求電源管理系統在提升效率上精益求精、錙銖必較，盡可能減少熱損耗，簡(jiǎn)化熱管理系統設計的復雜性。
同時(shí)，狹小的空間也會(huì )增加EMI防護和治理方面的挑戰，而在電源管理中廣泛使用的開(kāi)關(guān)穩壓器本身就是一個(gè)“噪聲源”，因此需要從器件級和系統級兩個(gè)方面著(zhù)手，應對EMI的問(wèn)題——這不僅僅是產(chǎn)品功能設計的需要，更是相關(guān)法規標準的強制要求，不容馬虎。
此外，汽車(chē)應用在可靠性和安全方面的高標準，也會(huì )體現在電源產(chǎn)品的設計上，在小型化的同時(shí)，確保電源管理方案達到相應的功能安全等級，也是必不可少的技術(shù)考量。
上述諸多技術(shù)因素的影響，使得工程師在設計小型化的汽車(chē)電源管理系統時(shí)，對于相關(guān)芯片解決方案的選型會(huì )更加“挑剔”，能夠成為他們心頭好的電源管理器件，一定需要具備過(guò)硬的實(shí)力以及與眾不同的優(yōu)勢。接下來(lái)，本文將帶大家認識這樣幾款Analog Devices出品的車(chē)用電源管理器件。
高集成方案，減小占板面積
以汽車(chē)中的ADAS高級輔助駕駛系統為例，為了實(shí)現更高級別的駕駛自動(dòng)化，提供更佳的用戶(hù)體驗，ADAS系統中通常會(huì )采用包括毫米波雷達、激光雷達和攝像頭模塊在內的多種環(huán)境傳感器，每種傳感器的數量也不止一個(gè)，以增強對環(huán)境的感知能力。
在傳統的方案中，為單個(gè)環(huán)境傳感器供電（以毫米波雷達中的單片MMIC為例），需要包括多個(gè)電壓調節器、監視器和看門(mén)狗IC在內的六個(gè)分立的器件（如圖1）。這樣的方案可能會(huì )占掉一個(gè)傳感器模塊PCB上一半以上的面積，這顯然會(huì )讓核心的功能設計捉襟見(jiàn)肘，處處受制。
圖1：基于分立器件的雷達ECU電源管理方案（圖源：Analog Devices）
為此，Analog Devices提出了一種基于高集成度PMIC的雙芯片解決方案（如圖2），大大減少了電源管理系統的占板面積，為其他的功能電路釋放出充足的設計空間。
圖2：基于PMIC的雷達ECU電源管理方案（圖源：Analog Devices）
由上圖可見(jiàn)，該方案包括兩個(gè)核心電源管理器件：
· 前端是一個(gè)高壓降壓轉換器（HV BUCK），其作用是將電池電壓降至3.3V；
· 后端是一個(gè)高密度、低電壓的PMIC，其集成有多路的電壓調節器，包括降壓調節和升壓調節，以產(chǎn)生高精度的電壓軌輸出，為功能模塊中的用電負載供電。
架構優(yōu)勢
這種架構一方面可以顯著(zhù)優(yōu)化電源管理系統的尺寸，賦能產(chǎn)品的小型化設計，另一方面也有利于方案的可擴展性，開(kāi)發(fā)者可以根據目標應用的需要，分別選擇更為合適的高壓降壓轉換器和低壓PMIC，實(shí)現更優(yōu)的方案。
Analog Devices也為支持這一架構，提供了豐富的產(chǎn)品組合。
MAX20014
在后端低壓PMIC方面，MAX20014是一個(gè)應用范圍很廣的解決方案。MAX20014是一個(gè)高效、三路輸出的低壓DC-DC轉換器，其中一路同步升壓轉換器輸出，將輸入電壓升壓到8.5V，輸出電流高達750mA；而兩路同步降壓轉換器的輸入電壓范圍為3.0V至5.5V，提供0.8V至3.8V的輸出電壓，負載電流可達3A。在整個(gè)負載范圍，以及器件的工作溫度范圍內，MAX20014都能夠提供較高的精度（升壓轉換器精度可達±2%，降壓轉換器的精度可達±1.5%）。
除了本身的高集成度，由于MAX20014的工作頻率高至2.2MHz，因此允許使用外形更小的全陶瓷電容，使得外圍元件占位面積更小。
在效率方面，MAX20014可以工作在2.2MHz固定頻率脈寬調制（PWM）模式可提供更好的負載瞬態(tài)響應；其也可工作在脈沖頻率調制模式（SKIP），確保輕載下的高效工作。由于集成了低RDS(ON)開(kāi)關(guān)，因此相對于分立式方案，MAX20014也大大提高了重負載時(shí)的效率。
此外，MAX20014采用可編程擴頻調制，可有效抑制EMI電磁輻射。器件還提供預設的固定或電阻可調節輸出電壓、軟啟動(dòng)、過(guò)流和過(guò)熱保護等功能，可以說(shuō)是一位各方面實(shí)力都不俗的“六邊形戰士”。
圖3：MAX20014升壓和雙通道降壓轉換器框圖（圖源：Analog Devices）
MAX20408
在前端的高壓降壓轉換器的選擇上，具有10μA靜態(tài)電流和雙相能力的汽車(chē)級36V、8A全集成降壓轉換器MAX20408是一款值得推薦的產(chǎn)品。
作為一款小型同步降壓轉換器，MAX20408集成了高側和低側開(kāi)關(guān)，可在3V到36V的寬輸入電壓范圍內提供高達8A的電流。其還具有雙相功能，可將兩個(gè)IC配置為主機和從機，進(jìn)行動(dòng)態(tài)電流共享和180°錯相操作，這樣一來(lái)可支持的電流將成倍增加，達到16A。這種大電流能力，非常有利于為下游更豐富的功能模塊提供充沛的電力，以簡(jiǎn)化整體系統BOM。
圖4：MAX20408汽車(chē)級全集成降壓轉換器框圖（圖源：Analog Devices）
2.1MHz和400kHz的高開(kāi)關(guān)頻率選項，使得MAX20408同樣支持外部元件的小型化，同時(shí)可減少輸出紋波并確保無(wú)AM干擾。擴頻選項也有助于進(jìn)一步減少EMI輻射。
MAX20408可編程的FSYNC輸入支持三種不同的工作模式，包括強制PWM模式、超低靜態(tài)電流的跳躍模式以及與外部時(shí)鐘的同步模式，有利于性能的優(yōu)化。其電壓質(zhì)量可以通過(guò)觀(guān)察PGOOD信號來(lái)監測，并可以在99%占空比低壓差下運行，非常適合于汽車(chē)和工業(yè)等高可靠性應用。
圖5：MAX20408可為后端電路提供充足電力（圖源：Analog Devices）
多路電源監控器，確保功能安全
越來(lái)越多汽車(chē)電子設備的部署，除了要考慮性能和功能方面的要求，還有一個(gè)必不可少的技術(shù)考量，這就是功能安全，其作用是確保車(chē)輛中電氣安全相關(guān)系統發(fā)生故障時(shí)，不會(huì )導致安全系統的故障或風(fēng)險。這在車(chē)載應用中是至關(guān)重要的。
汽車(chē)電子系統所需的功能安全級別，以系統的ASIL（汽車(chē)安全完整性級別）評級來(lái)定義，由低到高分為從A到D四個(gè)級別。想要達到所需的ASIL級別，通常有兩種方法：一種方法是使用集成了相關(guān)功能、本身符合ASIL的IC，采用這種方法BOM更簡(jiǎn)化，當然單顆物料的成本也會(huì )更高些；另一種方法是使用監控電路來(lái)提供系統達標所需的檢測、診斷和驗證等功能，這種方案通常具有更大的設計靈活性。
在汽車(chē)電源管理領(lǐng)域，無(wú)論采用哪種方法，都面臨著(zhù)小型化的設計挑戰。以ADAS系統為例，通常需要對其核心SoC進(jìn)行電壓監控和執行監控，以確保系統的正常工作。這個(gè)過(guò)程中，核心SoC需要執行多個(gè)復雜算法來(lái)將傳感器數據轉換為邏輯響應，需要看門(mén)狗IC來(lái)確保正確執行。這些復雜算法需要SoC內集成的不同功能模塊（如主處理器外圍電壓、處理器內核、存儲器和外設）共同來(lái)完成。在主SoC之外，整個(gè)系統中還可能會(huì )有其他微控制器控制的傳感器進(jìn)行數據采集和驅動(dòng)響應……所用這些都需要不同的電源軌供電，而為了滿(mǎn)足功能安全要求，則需要對每個(gè)電源軌都進(jìn)行電壓監控。這時(shí)，一個(gè)高集成度的電源監控解決方案就顯得十分必要了。
MAX20480是符合ASIL標準的SoC電源系統監測器，可支持多達7路電壓監測輸入，每路輸入均具有可編程O(píng)V/UV門(mén)限（介于2.5%至10%之間），精度為±1%。其中兩路輸入具有獨立的遠端地檢測輸入，通過(guò)集成I2C接口支持DVS。
MAX20480包含可編程靈活上電順序記錄器（FPSR），該記錄器可獨立儲存上電和斷電時(shí)標，支持開(kāi)/關(guān)和休眠/待機電源排序。MAX20480還包含可編程質(zhì)詢(xún)/應答看門(mén)狗，可通過(guò)I2C接口訪(fǎng)問(wèn)，同時(shí)還包括可編程低電平有效RESET輸出。
顯而易見(jiàn)，與獨立IC或分立式元件相比，MAX20480在提高可靠性的同時(shí)大大降低了所需元件的數量，減少了系統尺寸，與監控控制器配合使用時(shí)，MAX20480可滿(mǎn)足ASIL-D可靠性標準的要求，提供了一種小型化的設計解決方案，在A(yíng)DAS、駕駛員和乘客監控系統、信息娛樂(lè )系統、智能座艙等新興車(chē)載應用中都能夠大顯身手。
圖6：MAX20480電源系統監測器（圖源：Analog Devices）
本文小結
越來(lái)越豐富的汽車(chē)電子功能，推動(dòng)著(zhù)相關(guān)電子設備小型化的設計趨勢。而這種小型化的設計要求具體到為每個(gè)ECU供電的電源管理系統的設計上，就面臨著(zhù)諸多挑戰。以往開(kāi)發(fā)者不得不在諸多設計要求之間進(jìn)行權衡取舍，難于達到理想的設計目標。
好消息是，Analog Devices提出了一種理想的雙芯片汽車(chē)電源系統架構，并提供了豐富的產(chǎn)品組合，以滿(mǎn)足不同車(chē)載應用電源管理系統設計的要求。如果你想了解更多的技術(shù)信息，探索更多的可能性，請訪(fǎng)問(wèn)貿澤電子官網(wǎng)中相關(guān)的技術(shù)專(zhuān)題頁(yè)面，你一定會(huì )收獲滿(mǎn)滿(mǎn)。 |
