適用汽車電子電源穩(wěn)壓器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器及其用法

　　隨著高級輔助駕駛系統(tǒng) （ADAS） 和車內(nèi)信息娛樂系統(tǒng)的普及，車輛儼然變成了車輪上的復雜電子系統(tǒng)，其中需要多電平、無噪聲的 DC 電源軌。然而，典型的車輛電池在其工作環(huán)境中很難達到穩(wěn)定狀態(tài)，這就要求設計人員密切關注電源系統(tǒng)設計。

　　ADAS 系統(tǒng)的范圍包括自適應巡航控制、防撞功能、GPS、備用攝像頭、車道偏離提醒、穩(wěn)定性控制以及連接能力，而信息娛樂系統(tǒng)包括顯示屏和多媒體播放器。通過汽車的 12 V 電池（某些情況下甚至是 24 V 或 48 V）為這些功能調(diào)節(jié) DC 電源，其難度非常大，原因包括：電池輸出噪聲、電壓尖峰、負載突降瞬變、極端溫度及循環(huán)、經(jīng)由狹窄高溫位置中的電子元器件、不得不承受振動和沖擊等。

　　此外，DC/DC 轉(zhuǎn)換器 IC 可用于調(diào)節(jié)電池輸出以提供各種 ADAS 功能所需的多個 DC 電源軌，其必須在惡劣的電氣和環(huán)境條件下工作。這類轉(zhuǎn)換器還必須以高效率、低靜態(tài)電流和最小 EMI 提供精密調(diào)節(jié)。

　　本文將說明工作環(huán)境和條件，并介紹為幫助緩解相關問題而開發(fā)的汽車標準。然后，本文將描述有助于滿足汽車配電要求的電源穩(wěn)壓器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器及其用法。

　　引擎蓋下的問題

　　對于電子元器件（和機械部件）而言，汽車是一個頗具挑戰(zhàn)性的惡劣環(huán)境，具體表現(xiàn)在四個方面：電氣、熱、沖擊/振動和可用空間。下面予以簡要說明：

　　電氣：來自電池的未經(jīng)調(diào)節(jié)的電源軌不是簡單且穩(wěn)定的 DC 電流源，大多數(shù)電池都是如此；相反，它會受到冷起動電壓下降（圖 1）、“負載突降”（當連接到交流發(fā)電機的負載突然斷開時）引起的高壓浪涌（圖 2 和表 1）以及噪聲和 EMI/RFI 的影響。

　　圖 1：冷起動條件下的典型電池電壓曲線與更良性應用中的電池輸出曲線幾乎沒有相似之處。（圖片來源：Texas Instruments）

　　圖 2：典型負載突降脈沖的特點是快速上升、緩慢下降、時序可變。（圖片來源：Texas Instruments）

　　表 1：12 V 和 24 V 電池系統(tǒng)的未抑制負載突降脈沖（此處由 ISO7637-2:2004 ［1］ -5 定義）的典型值。（圖片來源：Texas Instruments）

　　因此，本地 DC/DC 穩(wěn)壓器必須處理這些實際情況，在寬輸入電壓 （VIN） 范圍內(nèi)工作，并且容許電池反極性連接。此外，這些穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流必須非常低，以便在汽車理應“停止運行”時最大限度地減少電池消耗。

　　原因是很多 ADAS（及其他）功能并沒有與電池物理斷開，而是使用“軟”開/關，因此在“停止運行”時實際上處于靜態(tài)。整體來說，如果汽車數(shù)周未使用，這些功能消耗的所謂“吸血鬼功率”可能會耗盡電池。

　　熱：根據(jù)工作條件和探頭位置，引擎蓋下溫度的范圍可從零下（冬季停車時）跨度到 150°C 至 200°C 以上（圖 3）。雖然汽車的其他區(qū)域（如駕駛室）不會變得這么熱，但如果汽車停在陽光下，這些區(qū)域仍有可能經(jīng)受相當高的溫度。當車外溫度在 25°C （77°F） 至 40°C （104°F） 之間時，在直射陽光下停放的汽車內(nèi)部溫度可能攀升到 50°C （122°F） 至 75°C （167°F） 之間。

　　圖 3：Chevrolet Silverado 以 40 mph 的速度爬山時，在不同位置測得的車輛溫度；許多部位超過 150°C。（圖片來源：Pelican Parts）

　　沖擊/振動：機械沖擊和振動始終會存在；基本機械分析表明，越小越輕的元器件越不容易受到這些干擾的影響，緩沖和防震（如需要）也越簡單。再者，此類元器件所需的電路板會更小，這也有相應的優(yōu)勢。

　　尺寸：小尺寸還有一個與沖擊/振動無關的主要優(yōu)勢。由于汽車有外殼這樣的固定物理“封裝”，很難找到合適的地方來放置 ADAS 功能電路（很多情況下還有相關傳感器）。雖然某些電路可以位于幾乎任何空位，但許多 ADAS 傳感器和前端信號調(diào)節(jié)電路需要位于特定位置，即便支持電子設備可以位于其他地方。

　　汽車標準定義挑戰(zhàn)

　　汽車動力來源主要有三個：電力 （EV），混合動力 （HEV），當然還有內(nèi)燃機。其尺寸、樣式、能力和成本點也各不相同。業(yè)界已經(jīng)為電子元器件、軟件及子系統(tǒng)的風險和性能級別制定了標準。通過認證不同級別的基本集成電路 （IC），設計人員便知道其所獲得的構件可用于“構建”具有明確性能的電路板、組件、子系統(tǒng)和完整的功能。

　　關于這種性能定義能力的主要標準是汽車安全完整性等級 （ASIL） 方案，它是一種由 ISO 26262（公路車輛功能安全標準）定義的多級風險分類方法。最高等級是 ASIL-D，代表最高程度的汽車危險，因此需要最高程度地確保滿足安全要求（圖 4）。按降序排列在最高等級 ASIL-D 之后的是 -C、-B 和 -A 等級，它們定義了中等程度的危險和所需的保證，最后是 ASIL QM，其針對沒有汽車危險的應用，因此也就無需管理任何安全要求（例如無線電）

　　圖 4：ASIL-D 至 ASIL-A 將汽車功能依據(jù)對車輛安全、運行、控制和其他因素的重要性進行分類，ASIL-D 為最嚴格。（圖片來源：Mentor Graphics）

　　針對設計用于 ADAS 功能的元器件（包括 DC/DC 穩(wěn)壓器），其供應商會測試并證明元器件滿足和超過特定等級的 ASIL 性能要求，包括但不限于溫度、振動和故障模式方面的要求。

　　另一個相關標準是 AEC-Q100，其中包含由汽車電子委員會 （AEC） 制定的一套 IC 認證測試序列。它為新產(chǎn)品和升級產(chǎn)品的零件認證和質(zhì)量體系設定了標準。AEC-Q100 還建立了溫度等級，針對元器件有明確的等級劃分，其中等級 0 的范圍最寬（表 2）。

　　表 2：AEC-Q100 的溫度等級確定了基本工作范圍，并帶有相應的后綴。（圖片來源：Cypress Semiconductor Corp.）

　　滿足 ADAS 要求的 DC/DC 穩(wěn)壓器

　　ADAS 功能的要求苛刻，IC（包括 DC/DC 穩(wěn)壓器）必須滿足這種應用在電氣、熱和尺寸方面的需求。這些元器件力圖滿足與電氣、熱、沖擊/振動和可用空間相關的多個（如果不是全部）汽車 ASIL 目標。

　　例如，Maxim Integrated 的 MAX16930 是一款 36 V DC/DC 穩(wěn)壓器，靜態(tài)電流只有 20 微安 （μA）（圖 5）。這款汽車級三路輸出開關器件集成了兩個同步降壓控制器和一個異步升壓“預升壓”控制器，提供多達三個獨立控制的電源軌：一個提供可調(diào)輸出電壓的預升壓控制器；一個提供固定 5 V 輸出或 1 V 至 10 V 可調(diào)輸出的降壓控制器；以及一個提供固定 3.3 V 輸出或 1 V 至 10 V 可調(diào)輸出的降壓控制器。

　　圖 5：MAX16930 多路輸出降壓穩(wěn)壓器的預升壓特性使其能夠在冷起動期間運行，此時電池電壓降至較低的一位數(shù)值（黃色）。（圖片來源：Maxim Integrated）

　　MAX16930 采用 3.5 V 至 36 V 的寬范圍電源軌工作，而預升壓可將工作電壓降至 2 V（自舉模式），滿足冷起動運行的需求（見圖 5）。降壓控制器和預升壓功能均可提供高達 10 A 的輸出電流，并且可獨立控制。用戶可調(diào)的開關頻率（200 kHz 到高達 2.2 MHz）以及可選的擴頻操作，確保無 AM 頻段干擾。

　　MAX16930 提供時鐘設置選擇，設計人員得以最大限度地減少與 IC 時鐘引起的干擾以及多個系統(tǒng)時鐘混頻造成的拍頻相關的問題。用戶必須從三種頻率功能模式中進行選擇：

　　基本固定頻率運行，使用用戶定義的頻率。

　　跳頻模式，在負載較輕時禁用時鐘，僅在需要時啟用以維持輸出電壓調(diào)節(jié)。

　　與外部時鐘同步。IC 可以在這些模式之間“即時”切換，但這需要更多的軟件來實現(xiàn) IC 管理。

　　該 IC 提供的另一個選項是調(diào)用擴頻時鐘以在標稱頻率值附近隨機擾動時鐘，使時鐘源引起的單頻率 EMI 最??；不需要的 EMI 能量分散在更寬的頻譜上，但任何單一頻率的峰值幅度更低。

　　用戶還必須在系統(tǒng)設計階段確定內(nèi)部線性穩(wěn)壓器 （LDO） 的“值”，可通過連接外部電源軌將其旁路。

　　一方面，LDO 輸出非常安靜，可用于向要求電源軌噪聲盡可能低的小型局部負載供電；另一方面，其效率不如 MAX16930 中的開關穩(wěn)壓器。

　　為了解決基底面問題，一種常見的技術是增加單個 IC 的不同輸出的數(shù)量。Analog Devices 的 LT8603 是一款四路輸出器件，集成了兩個高輸入電壓降壓開關穩(wěn)壓器、一個低輸入電壓降壓穩(wěn)壓器和一個升壓控制器，全部采用一個 6 × 6 mm 封裝。

　　借助配置為提供 VIN 電源的升壓控制器，即使升壓輸入電壓低于調(diào)節(jié)的輸出電壓（例如在冷起動情況下），IC 也會產(chǎn)生三個穩(wěn)壓輸出（圖 6）。

　　圖 6：LT8603 可配置為按規(guī)格運行，即使在冷起動條件下也能提供全部 DC 輸出。（圖片來源：Analog Devices）

　　該 IC 采用高達 42 V 的電源軌工作，開關頻率由用戶選擇，范圍是 250 kHz 至 2.2 MHz，以最大限度地降低 EMI。輻射 EMI（CISPR 25 輻射放射測試，5 級峰值限制）低于允許限值（短水平段）（圖 7）。

　　圖 7：在使用 14 V 電源且開關頻率為 2 MHz 的情況下，LT8603 的輻射 EMI（CISPR 25 輻射放射測試，5 級峰值限制）表明其輻射低于允許限值（短水平段）。（圖片來源：Analog Devices）

　　該 IC 的四個通道獨立供電，設計人員須決定如何進行連接以實現(xiàn)系統(tǒng)和電路目標。例如，升壓輸出可配置為向降壓轉(zhuǎn)換器提供輸入電壓，即使升壓輸入電壓低于調(diào)節(jié)的降壓輸出（冷起動情況下可能出現(xiàn)這種情況），也會產(chǎn)生三個精密調(diào)節(jié)的輸出。但是，升壓模式控制器也可以由降壓控制器輸出驅(qū)動，或配置為 SEPIC 轉(zhuǎn)換器；在這種情況下，IC 提供多達四個精密調(diào)節(jié)的輸出。

　　四個通道的開關頻率范圍是設計人員必須確定的另一個因素，這必須在選擇振蕩器頻率之前完成，振蕩器頻率可以通過單個電阻在 250 kHz 至 2.2 MHz 的范圍內(nèi)設置。一般而言，頻率較低時，開關損耗也較低，對時序約束（例如最小導通和關斷時間）較不敏感，因而效率更高，輸入電壓工作范圍更寬。

　　但是，較高開關頻率允許使用較小元器件，并能讓開關相關的噪聲遠離敏感頻帶，例如 AM 無線電。缺點是效率會降低。

　　為高性能 ADAS 傳感器供電

　　有些 ADAS 功能具有高性能傳感器前端，因而要求更低的噪聲或更快的瞬態(tài)響應，這超出了大多數(shù)開關降壓穩(wěn)壓器的能力。Maxim MAX15027 低壓差線性穩(wěn)壓器（符合 AEC-100 1 級標準）專為此類情況而設計。其輸入電壓低至 1.425 V，可提供高達 1 A 的連續(xù)輸出電流，最大壓差僅為 225 毫伏 （mV）。其寬帶寬支持快速瞬態(tài)響應，因而在 500 mA 負載階躍下可將輸出電壓偏差限制在 15 mV，輸出端僅使用一個 4.7 微法 （μF） 陶瓷電容器。

　　一些實現(xiàn) LDO 最佳性能所需采取的預防措施

　　盡管 MAX15027 是 LDO，而且其使用的電源穩(wěn)壓器拓撲極為簡單，但仍需采取一些預防措施。首先，1μF 陶瓷輸入電容器和 4.7μF 陶瓷輸出電容器必須是高質(zhì)量、低 ESR（毫歐級）產(chǎn)品；如果 ESR 為幾歐姆或更高，則 LDO 的線路和負載瞬態(tài)響應將受到影響，內(nèi)部 LDO 環(huán)路穩(wěn)定性會有問題，并且可能發(fā)生自激振蕩。

　　其次，印刷電路板布局必須解決散熱和發(fā)熱問題，因為與開關穩(wěn)壓器相比，LDO 相對于其封裝尺寸而言耗散率較高。為此，MAX15027 的 TDFN 封裝下表面有一個裸露導熱墊，以確保其通過一條低熱阻路徑連接到印刷電路板。該路徑將大部分熱量帶離 IC，使印刷電路板成為高效散熱器。裸露導熱墊應連接到較大接地平面，以獲得最佳熱和電氣性能。

　　然而，這種孤立考慮的方法是必要的，但還不夠。使用熱建模至關重要，可確保附近的 IC 和其他元器件不會也假設能使用印刷電路板的同一銅層來滿足其自身的散熱需求，使得總熱負荷超出所選散熱策略的能力。

　　這種策略通常開始于通過導熱墊將熱量導離 IC 進入印刷電路板層，然后大多是與遠處的散熱器或冷板進行對流。這種熱源“擁擠”可能會使從 IC 下表面導熱墊開始的基本散熱方案無效。

　　總結

　　ADAS 和信息娛樂系統(tǒng)的使用，意味著必須解決其獨特且常常具有挑戰(zhàn)性的 DC 電源需求。這推動了 IC 和其他元器件的開發(fā)和生產(chǎn)，它們能在極端溫度和 DC 輸入軌電壓范圍內(nèi)工作，同時靜態(tài)電流消耗非常低。這些 IC 還必須很小，以降低其對振動和沖擊的敏感性，而幸運的是，小尺寸還支持緊湊的 ADAS 功能電路設計。

　　現(xiàn)在，電源穩(wěn)壓器供應商提供各種針對 ADAS 優(yōu)化的開關和 LDO DC/DC 器件，這些器件符合嚴格的行業(yè)標準，簡化了設計導入挑戰(zhàn)和 BOM 決策。