【導(dǎo)讀】汽車(chē)電源須提供更高能效和更低能耗，以配合汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展并符合各種環(huán)境法規(guī)及安全標(biāo)準(zhǔn)。這一高標(biāo)準(zhǔn)無(wú)形中為汽車(chē)電影的設(shè)計(jì)帶來(lái)了高挑戰(zhàn)性。這里來(lái)聽(tīng)聽(tīng)專(zhuān)家對(duì)于汽車(chē)電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)及考量的分析。
電動(dòng)化、智能化、互聯(lián)化正成為汽車(chē)發(fā)展新趨勢(shì)，為提升燃油經(jīng)濟(jì)性的啟停系統(tǒng)、為增加主動(dòng)安全性的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、以及作為新一代智能交通基礎(chǔ)的駕駛信息系統(tǒng)等多個(gè)電子系統(tǒng)越來(lái)越多地被汽車(chē)設(shè)計(jì)人員所采用，多系統(tǒng)的集成在提升汽車(chē)駕乘體驗(yàn)的同時(shí)，也為汽車(chē)電源設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。汽車(chē)電源須提供更高能效和更低能耗，以配合汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展并符合各種環(huán)境法規(guī)及安全標(biāo)準(zhǔn)。
線性方案對(duì)比開(kāi)關(guān)方案(SMPS)及設(shè)計(jì)考量
在電源轉(zhuǎn)換過(guò)程中不可避免地會(huì)發(fā)熱，穩(wěn)壓器散熱會(huì)損失一部分功率，這樣輸出功率就不可能等于輸入功率。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器在此過(guò)程中會(huì)耗散大部分能量，已無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前高功率需求類(lèi)的應(yīng)用。我們假定采用線性穩(wěn)壓器時(shí)需要2.5 W的額定功率，以及5 V輸出電壓和0.5 A輸出電流，那么需提供6 W的輸入功率，能效(即輸出功率除以輸入功率的比值)僅為41%，損失高達(dá)59%！而同樣情況下，開(kāi)關(guān)電源僅需2.8 W的輸入功率，能效高達(dá)90%。
因此，設(shè)計(jì)工程師可采用開(kāi)關(guān)電源提高系統(tǒng)能效，但是開(kāi)關(guān)方案也有弊端，由于其復(fù)雜的反饋回路，外部元件較線性方案多且需要更多的PCB面積，再加上開(kāi)關(guān)的性質(zhì)導(dǎo)致其降噪性能差，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需從反饋回路設(shè)計(jì)、外部元件數(shù)、PCB面積、瞬態(tài)電流及電磁干擾等方面考慮，以減輕其弊端。
1.反饋回路設(shè)計(jì)
為匹配輸出阻抗的后穩(wěn)壓器選擇合適的負(fù)輸入電阻以避免振蕩，達(dá)到穩(wěn)壓輸出的目的；
有效使用仿真工具以了解頻域中的頻率補(bǔ)償；頻率補(bǔ)償可通過(guò)選擇單極響應(yīng)控制方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2.外部元件數(shù)
集成的電源開(kāi)關(guān)可減小布線尺寸，功耗比板外電源開(kāi)關(guān)更低，且更易于設(shè)計(jì)。
3.線路板面積
減小電感和電容的尺寸，占板面積得以減小，且開(kāi)關(guān)頻率增加，使能效得以提升，同時(shí)減弱PCB電磁輻射和電磁干擾。但需注意盡量使導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗最小化，降低噪聲。
4.瞬態(tài)電流
將線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)，可減小瞬態(tài)電流，稱(chēng)為混合開(kāi)關(guān)電源；且可根據(jù)線路負(fù)載情況，以恒定的開(kāi)和關(guān)條件進(jìn)行脈沖頻率調(diào)制。
5.電磁干擾
減少回路面積，優(yōu)化PCB布局，從而減弱電路間的干擾；
避免由穩(wěn)壓器和系統(tǒng)環(huán)境產(chǎn)生的敏感頻段；
采用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)、決定光譜含量和去耦方案降低排放峰值。
在汽車(chē)應(yīng)用中，還需考慮到電源管理模塊不斷增長(zhǎng)的復(fù)雜性，要求處理更高電流情況的能力、低轉(zhuǎn)儲(chǔ)、雙電池轉(zhuǎn)移乃至需要最小工作電流等等，為系統(tǒng)選擇合適的高能效電源方案。
滿(mǎn)足低壓?jiǎn)?dòng)的混合線性/開(kāi)關(guān)電源方案
在各國(guó)紛紛推行日趨嚴(yán)苛的燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的二氧化碳排放協(xié)議的背景下，啟停系統(tǒng)的市場(chǎng)需求日益增加。所謂啟停系統(tǒng)，即在汽車(chē)行駛過(guò)程中臨時(shí)停車(chē)的時(shí)候自動(dòng)熄火，需要繼續(xù)前進(jìn)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)重啟內(nèi)燃機(jī)，從而減少發(fā)動(dòng)機(jī)空閑的時(shí)間，以減少燃油消耗和二氧化碳排放。
內(nèi)燃機(jī)無(wú)法自行啟動(dòng)，需要外力引發(fā)燃燒循環(huán)。這是啟動(dòng)電機(jī)的用途所在，當(dāng)插入點(diǎn)火開(kāi)關(guān)鑰匙并將開(kāi)關(guān)扭至“開(kāi)”，啟動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)。然而，啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄發(fā)動(dòng)引擎需要的電流量非常大，導(dǎo)致在啟動(dòng)階段汽車(chē)電池電壓顯著下降。為避免啟動(dòng)階段的壓降，可在降壓穩(wěn)壓器和電池供電的LDO之間添加啟停預(yù)升壓器，它基于點(diǎn)火開(kāi)關(guān)打開(kāi)和關(guān)閉，以滿(mǎn)足啟停系統(tǒng)的低壓?jiǎn)?dòng)。預(yù)升壓器通常采用大功率集中式多相升壓和分布式小功率單相升壓等方法，用以避免電壓驟降導(dǎo)致的異常，并符合12 V系統(tǒng)的 ISO 16750標(biāo)準(zhǔn)。如安森美半導(dǎo)體的非同步升壓控制器NCV8876，采用2 V至45 V輸入電壓工作，能夠在冷啟動(dòng)及45 V負(fù)載突降情況下工作，其工作原理是：電池電壓正常時(shí)，NCV8876進(jìn)入休眠模式；而當(dāng)電池電壓降至設(shè)定電壓時(shí)，NCV8876自動(dòng)喚醒，開(kāi)始升壓工作。NCV8876還集成了多種保護(hù)功能，如逐周期限流保護(hù)、斷續(xù)模式過(guò)流保護(hù)及過(guò)熱關(guān)閉等。其它特性包括：峰值電流檢測(cè)、最小COMP電壓鉗位可提高切換時(shí)的響應(yīng)速度等，工作溫度范圍-40℃至150℃，非常適合汽車(chē)啟停系統(tǒng)應(yīng)用。
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ADAS采用混合線性/開(kāi)關(guān)電源方案增加輸出功率
隨著車(chē)輛主動(dòng)安全系統(tǒng)的重要性的與日俱增， ADAS逐漸從高檔車(chē)應(yīng)用擴(kuò)展至中檔車(chē)，它通過(guò)協(xié)助駕駛員控制車(chē)輛的復(fù)雜過(guò)程以提供更安全便利的駕駛體驗(yàn)如自適應(yīng)巡航控制、盲點(diǎn)監(jiān)控、車(chē)道偏離警報(bào)、夜視、車(chē)道保持協(xié)助、以及具自動(dòng)轉(zhuǎn)向和制動(dòng)措施的碰撞警報(bào)系統(tǒng)。下一代ADAS將可令駕駛體驗(yàn)進(jìn)一步自動(dòng)化，如：用智能手機(jī)app協(xié)助自動(dòng)停車(chē)；搭載V2X通訊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛與車(chē)輛或車(chē)輛與外界環(huán)境的即時(shí)信息交換，從而大大緩解交通堵塞，減少交通事故的發(fā)生；通過(guò)介質(zhì)雷達(dá)傳感器平臺(tái)識(shí)別事故隱患，作出靈敏反應(yīng)并自主采取行動(dòng)，提供多重安全功能的同時(shí)降低成本。
圖1：先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)
這就需要配以系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片(SBC), 通過(guò)通信技術(shù)如以太網(wǎng)成功連接車(chē)輛中的各部分如攝像頭、GPS、雷達(dá)和旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于ADAS高集成度的復(fù)雜性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要為其選擇高精度和可定制的電源和功率模塊，為電源部分提供專(zhuān)用功能如看門(mén)狗功能、電源監(jiān)控冗余功能以及電壓監(jiān)控功能，以保證符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)安全完整性(ASLI) B等級(jí)，實(shí)現(xiàn)整車(chē)功能性安全和更安全的駕駛體驗(yàn)。
圖2：以太網(wǎng)SBC技術(shù)實(shí)現(xiàn)ADAS的集成要求
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駕駛信息系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)電源方案減小瞬態(tài)電流
駕駛信息系統(tǒng)包括車(chē)輛內(nèi)外的信息系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及娛樂(lè)系統(tǒng)，是汽車(chē)發(fā)展的主要部分。油耗、車(chē)速、導(dǎo)航、娛樂(lè)及ADAS等信息都可通過(guò)儀表盤(pán)和中控面板向駕駛員顯示。Nvidia、Intel等廠商不斷提升系統(tǒng)集成能力并開(kāi)發(fā)智能解決方案，通過(guò)圖形處理器集成和連接各種不同車(chē)輛的功能。由于系統(tǒng)內(nèi)部需要進(jìn)行大量的計(jì)算，所以駕駛信息系統(tǒng)屬于高功率應(yīng)用，可采用開(kāi)關(guān)電源方案。單相/多相SMPS作為用于駕駛信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，可根據(jù)實(shí)時(shí)使用狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)，減少不必要的功耗。安森美半導(dǎo)體的NCV8901xx系列是集成降壓SMPS的轉(zhuǎn)換器，輸出電流為1.2 A，工作頻率為2 MHz，輸入電壓范圍4.5 V 至36 V，可耐受40 V拋負(fù)載電壓，芯片工作結(jié)溫為-40℃至150℃，體積小，輸出精度高，可在駕駛信息系統(tǒng)中使用。
汽車(chē)電源朝48 V系統(tǒng)進(jìn)發(fā)
因應(yīng)不斷提升的節(jié)能減排的需求/規(guī)范，輕型48 V系統(tǒng)銷(xiāo)量近十年來(lái)一直在增長(zhǎng)。48 V結(jié)構(gòu)由12 V和48 V網(wǎng)絡(luò)組成，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間通過(guò)雙向輸出的SMPS相連，結(jié)合傳統(tǒng)的12 V或14 V網(wǎng)絡(luò)，像大多數(shù)傳統(tǒng)車(chē)輛一樣采用鉛酸電池。一個(gè)48 V鋰離子電池配備一個(gè)獨(dú)立的48 V網(wǎng)絡(luò)。12 V網(wǎng)絡(luò)處理傳統(tǒng)的負(fù)載：照明、點(diǎn)火、娛樂(lè)、音頻系統(tǒng)以及電子模塊。48 V系統(tǒng)支持主動(dòng)底盤(pán)系統(tǒng)、空調(diào)壓縮機(jī)和再生制動(dòng)。48 V結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)在于它結(jié)合了雙壓設(shè)置及眾所周知的啟停技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，更有效地捕捉車(chē)輛制動(dòng)能量，為不斷增加的電氣負(fù)載提供更高功率，同時(shí)提升可能高達(dá)15%的燃油能效；此外，它還減小傳送到負(fù)載的電流、減少線束重量從而提升電源能效。
結(jié)語(yǔ)
汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)要求汽車(chē)電源的設(shè)計(jì)配合，工程師在設(shè)計(jì)中須根據(jù)具體情況并綜合多方面因素靈活選用方案，如在啟停系統(tǒng)中使用預(yù)升壓控制器，在ADAS中考慮混合開(kāi)關(guān)電源，駕駛信息系統(tǒng)采用純開(kāi)關(guān)電源等等。為進(jìn)一步提升燃油能效，48 V架構(gòu)/系統(tǒng)也已在討論中?？傊?chē)電源設(shè)計(jì)須視提供更高能效為核心目標(biāo)，同時(shí)符合政府相關(guān)法規(guī)，并滿(mǎn)足消費(fèi)者不斷提高的期望。
