設(shè)計汽車電源時需考慮的問題

選擇汽車電源集成電路時，常常忽視的不是數(shù)據(jù)表上的規(guī)格，而是元器件在最終設(shè)計中的工作方式。這是因為數(shù)據(jù)表中涵蓋了集成電路的性能，但并沒有說明元件如何在閉環(huán)系統(tǒng)中工作，以及如何與系統(tǒng)中的其他元件相互作用。在為汽車設(shè)計選擇前端電源時，這一點顯得尤為重要。與電池直接連接的電源需要效率高、尺寸小而且非常安靜。為什么要這樣呢？

TI的LM53635-Q1穩(wěn)壓器不僅僅是一個轉(zhuǎn)換器，它還是采用對惡劣環(huán)境敏感的先進(jìn)處理器和傳感器將變速箱、引擎和制動等汽車電動機(jī)械系統(tǒng)嘈雜、惡劣環(huán)境與高度復(fù)雜的電子控制單元（ECU）連接起來的電源調(diào)節(jié)電路。前端電源還需要管理雙電池和負(fù)載突降等故障和用戶情況。本文將說明在設(shè)計汽車電源時需考慮哪些問題，以及為了更好地管理挑戰(zhàn)需要為設(shè)計添加哪些功能。本文還將介紹TI的新產(chǎn)品36V、2.1MHz同步降壓穩(wěn)壓器。

一輛現(xiàn)代汽車上有許多節(jié)約燃油的功能；其中一項功能就是啟停操作。當(dāng)汽車排隊等候或者等紅綠燈時，汽車停下會激活啟停功能，關(guān)閉發(fā)動機(jī)以節(jié)約燃油。另一種稱為冷啟動的情況會對系統(tǒng)造成相似的電子負(fù)載。發(fā)動機(jī)的啟動會對系統(tǒng)產(chǎn)生很大的負(fù)載，引起電池電壓的下降。

在啟?；蚶鋯拥那闆r下，電壓會突然大幅下降，使降壓轉(zhuǎn)換器失去作用。在一些情況下，或許要在電路中使用升壓轉(zhuǎn)換器來支持系統(tǒng)。如果設(shè)計的電源支持電壓突然降低，就可以節(jié)省升壓的支出，以及與增加的元件相關(guān)的成本、空間和功耗。

接近100%的占空比、非工作時間非常短和低導(dǎo)通電阻高端場效應(yīng)晶體管(FET)電阻的組合使得LM53635-Q1（見圖1）能夠在滿負(fù)載和全工作溫度范圍條件下支持電壓降至0.6V以下，同時為下游電源保持穩(wěn)壓功能，而不增加設(shè)計的復(fù)雜程度。

圖1：LM53635-Q1電壓降

由于汽車中使用的線束日益復(fù)雜、系統(tǒng)中的ECU節(jié)點數(shù)量不斷增加等原因，提供低電磁干擾（EMI）的電源變得更加重要。每一個線束和ECU都會產(chǎn)生在汽車周圍傳播的噪聲，影響其他應(yīng)用?？紤]到安全應(yīng)用數(shù)量不斷增加，低電磁干擾功能也備受期待。TI在設(shè)計LM53635-Q1時采用了幾項技術(shù)來降低電磁干擾。

一項技術(shù)是根據(jù)LM53635-Q1調(diào)節(jié)和過濾使用的被動元件的最佳位置進(jìn)行設(shè)計封裝布局。如圖2所示，使用的引腳使得高頻輸入電容（在開關(guān)節(jié)點兩側(cè)接地）呈對稱分布，GND與開關(guān)之間產(chǎn)生的電感降低，從而去除噪聲。

圖2：高頻CIN電容位置

另外，以特定的方式進(jìn)行封裝，能夠去除封裝內(nèi)部的寄生回路電感和電容，降低開關(guān)節(jié)點振鈴噪聲，開關(guān)節(jié)點振鈴是產(chǎn)生噪聲的主要原因（見圖3）。如果能在源頭上降低噪聲，則無需解決增加元件引起的問題。

圖3：LM53635-Q1的開關(guān)節(jié)點

降低系統(tǒng)噪聲的另一項技術(shù)是展頻，展頻能夠調(diào)節(jié)中心開關(guān)頻率（此案例中為2.1MHz），抑制諧波和子諧波。展頻，正如其名稱所示，對降低整體噪峰非常有效，但不會影響噪底。但是，因為展頻能夠處理高頻諧波，有助于滿足通常非常嚴(yán)格的原始設(shè)備制造商（OEM）的電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)，使印刷電路板設(shè)計更簡單，降低濾波元件的尺寸和成本。

圖4為30MHz至108MHz頻帶的LM53635-Q1，左圖為展頻關(guān)閉，右圖為展頻開啟。

為滿足CISPR25第5類限制（最嚴(yán)格的規(guī)范）而消除300MHz至108MHz電磁干擾

圖4：使用展頻抑制高頻諧波

需要克服的主要挑戰(zhàn)之一是因空間限制和周圍環(huán)境造成的發(fā)熱問題。今天許多汽車設(shè)計常常集成到用于機(jī)械功能的已有的外形和尺寸當(dāng)中，或僅僅集成到汽車設(shè)計的空閑空間中。后視鏡就是一個很好的例子。在過去，后視鏡是手動操作的簡單設(shè)備，但現(xiàn)在卻集成了越來越多的電子器件，實現(xiàn)照相機(jī)等新功能?？紤]到太陽照射熱和后視鏡的外殼材料（通常是塑料），印刷電路板上電子器件的溫度能達(dá)到105℃。電源要小到能夠管理集成的電子器件，同時還需要具備很高的效率，不會引起自身發(fā)熱。TI設(shè)計的LM53635-Q1效率高，能夠降低損耗，并以2.1MHz頻率工作，讓電源所需其他元件的尺寸盡可能小，從而管理熱量和尺寸問題。參見圖5。

圖5：LM53635-Q1以2.1MHz工作時的效率

保持質(zhì)量對于汽車設(shè)計至關(guān)重要，在設(shè)計安全相關(guān)系統(tǒng)時尤其如此?？珊感酝强煽啃缘膯栴}之一。為了提高焊縫質(zhì)量，可以使用多項技術(shù)；其中一項技術(shù)為可潤濕側(cè)翼。參見圖6?？蓾櫇駛?cè)翼是在封裝邊沿切割出空腔的工藝，使得引腳側(cè)能夠進(jìn)行更多可視潤濕，便于光學(xué)檢測。該技術(shù)非常有用，因為無需對封裝進(jìn)行X射線檢測即可確保焊接充分，同時保障了焊縫的完整性。

圖6：LM53635-Q1使用的可潤濕側(cè)翼工藝

正如本博文前面強(qiáng)調(diào)的，在設(shè)計汽車電源時還需要考慮很多問題，需要考慮為設(shè)計增加哪些功能使所面臨的挑戰(zhàn)更易于管理。只有理解這些問題后，才能實現(xiàn)更快速的設(shè)計、更小的解決方案和更低的成本。觀看視頻，了解如何使用TI的LM53635-Q1來解決汽車電磁干擾、發(fā)熱和系統(tǒng)挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷