安森美半导体论汽车电源设计挑战及考量

电动化、智能化、互联化正成为汽车发展新趋势，为提升燃油经济性的启停系统、为增加主动安全性的先进驾驶辅助系统(ADAS)、以及作为新一代智能交通基础的驾驶信息系统等多个电子系统越来越多地被汽车设计人员所采用，多系统的集成在提升汽车驾乘体验的同时，也为汽车电源设计带来了挑战。汽车电源须提供更高能效和更低能耗，以配合汽车产业的发展并符合各种环境法规及安全标准。

线性方案对比开关方案(SMPS)及设计考量

在电源转换过程中不可避免地会发热，稳压器散热会损失一部分功率，这样输出功率就不可能等于输入功率。传统的线性稳压器在此过程中会耗散大部分能量，已无法满足当前高功率需求类的应用。我们假定采用线性稳压器时需要2.5W的额定功率，以及5V输出电压和0.5A输出电流，那么需提供6W的输入功率，能效(即输出功率除以输入功率的比值)仅为41%，损失高达59%！而同样情况下，开关电源仅需2.8W的输入功率，能效高达90%。

因此，设计工程师可采用开关电源提高系统能效，但是开关方案也有弊端，由于其复杂的反馈回路，外部元件较线性方案多且需要更多的PCB面积，再加上开关的性质导致其降噪性能差，在设计过程中需从反馈回路设计、外部元件数、PCB面积、瞬态电流及电磁干扰等方面考虑，以减轻其弊端。

1.反馈回路设计
为匹配输出阻抗的后稳压器选择合适的负输入电阻以避免振荡，达到稳压输出的目的；
有效使用仿真工具以了解频域中的频率补偿；频率补偿可通过选择单极响应控制方案来实现。
2.外部元件数
集成的电源开关可减小布线尺寸，功耗比板外电源开关更低，且更易于设计。
3.线路板面积
减小电感和电容的尺寸，占板面积得以减小，且开关频率增加，使能效得以提升，同时减弱PCB电磁辐射和电磁干扰。但需注意尽量使导通和开关损耗最小化，降低噪声。
4.瞬态电流
将线性稳压器和开关电源并联，可减小瞬态电流，称为混合开关电源；且可根据线路负载情况，以恒定的开和关条件进行脉冲频率调制。
5.电磁干扰
减少回路面积，优化PCB布局，从而减弱电路间的干扰；
避免由稳压器和系统环境产生的敏感频段；
采用扩频调制技术、决定光谱含量和去耦方案降低排放峰值。

在汽车应用中，还需考虑到电源管理模块不断增长的复杂性，要求处理更高电流情况的能力、低转储、双电池转移乃至需要最小工作电流等等，为系统选择合适的高能效电源方案。

满足低压启动的混合线性/开关电源方案

在各国纷纷推行日趋严苛的燃油经济性标准和规范的二氧化碳排放协议的背景下，启停系统的市场需求日益增加。所谓启停系统，即在汽车行驶过程中临时停车的时候自动熄火，需要继续前进时系统自动重启内燃机，从而减少发动机空闲的时间，以减少燃油消耗和二氧化碳排放。

内燃机无法自行启动，需要外力引发燃烧循环。这是启动电机的用途所在，当插入点火开关钥匙并将开关扭至“开”，启动电机启动。然而，启动电机转动曲柄发动引擎需要的电流量非常大，导致在启动阶段汽车电池电压显著下降。为避免启动阶段的压降，可在降压稳压器和电池供电的LDO之间添加启停预升压器，它基于点火开关打开和关闭，以满足启停系统的低压启动。预升压器通常采用大功率集中式多相升压和分布式小功率单相升压等方法，用以避免电压骤降导致的异常，并符合12V系统的ISO16750标准。如安森美半导体的非同步升压控制器NCV8876，采用2V至45V输入电压工作，能够在冷启动及45V负载突降情况下工作，其工作原理是：电池电压正常时，NCV8876进入休眠模式；而当电池电压降至设定电压时，NCV8876自动唤醒，开始升压工作。NCV8876还集成了多种保护功能，如逐周期限流保护、断续模式过流保护及过热关闭等。其它特性包括：峰值电流检测、最小COMP电压钳位可提高切换时的响应速度等，工作温度范围-40℃至150℃，非常适合汽车启停系统应用。

ADAS采用混合线性/开关电源方案增加输出功率

随着车辆主动安全系统的重要性的与日俱增，ADAS逐渐从高档车应用扩展至中档车，它通过协助驾驶员控制车辆的复杂过程以提供更安全便利的驾驶体验如自适应巡航控制、盲点监控、车道偏离警报、夜视、车道保持协助、以及具自动转向和制动措施的碰撞警报系统。下一代ADAS将可令驾驶体验进一步自动化，如：用智能手机app协助自动停车；搭载V2X通讯系统实现车辆与车辆或车辆与外界环境的即时信息交换，从而大大缓解交通堵塞，减少交通事故的发生；通过介质雷达传感器平台识别事故隐患，作出灵敏反应并自主采取行动，提供多重安全功能的同时降低成本。


图1：先进驾驶辅助系统(ADAS)

这就需要配以系统基础芯片(SBC),通过通信技术如以太网成功连接车辆中的各部分如摄像头、GPS、雷达和旋转编码器来实现。由于ADAS高集成度的复杂性，系统设计师需要为其选择高精度和可定制的电源和功率模块，为电源部分提供专用功能如看门狗功能、电源监控冗余功能以及电压监控功能，以保证符合ISO26262标准的汽车安全完整性(ASLI)B等级，实现整车功能性安全和更安全的驾驶体验。


图2：以太网SBC技术实现ADAS的集成要求

驾驶信息系统采用开关电源方案减小瞬态电流

驾驶信息系统包括车辆内外的信息系统、通信系统以及娱乐系统，是汽车发展的主要部分。油耗、车速、导航、娱乐及ADAS等信息都可通过仪表盘和中控面板向驾驶员显示。Nvidia、Intel等厂商不断提升系统集成能力并开发智能解决方案，通过图形处理器集成和连接各种不同车辆的功能。由于系统内部需要进行大量的计算，所以驾驶信息系统属于高功率应用，可采用开关电源方案。单相/多相SMPS作为用于驾驶信息系统的关键技术，可根据实时使用状况进行动态电压调节，减少不必要的功耗。安森美半导体的NCV8901xx系列是集成降压SMPS的转换器，输出电流为1.2A，工作频率为2MHz，输入电压范围4.5V至36V，可耐受40V抛负载电压，芯片工作结温为-40℃至150℃，体积小，输出精度高，可在驾驶信息系统中使用。

汽车电源朝48V系统进发

因应不断提升的节能减排的需求/规范，轻型48V系统销量近十年来一直在增长。48V结构由12V和48V网络组成，两个网络之间通过双向输出的SMPS相连，结合传统的12V或14V网络，像大多数传统车辆一样采用铅酸电池。一个48V锂离子电池配备一个独立的48V网络。12V网络处理传统的负载：照明、点火、娱乐、音频系统以及电子模块。48V系统支持主动底盘系统、空调压缩机和再生制动。48V结构的关键优点在于它结合了双压设置及众所周知的启停技术的优点，更有效地捕捉车辆制动能量，为不断增加的电气负载提供更高功率，同时提升可能高达15%的燃油能效；此外，它还减小传送到负载的电流、减少线束重量从而提升电源能效。

结语
汽车产业的发展趋势要求汽车电源的设计配合，工程师在设计中须根据具体情况并综合多方面因素灵活选用方案，如在启停系统中使用预升压控制器，在ADAS中考虑混合开关电源，驾驶信息系统采用纯开关电源等等。为进一步提升燃油能效，48V架构/系统也已在讨论中。总之，汽车电源设计须视提供更高能效为核心目标，同时符合政府相关法规，并满足消费者不断提高的期望。