中心議題:
汽車(chē)電源設(shè)計(jì)的六項(xiàng)基本原則
實(shí)際應(yīng)用與功率需求
解決方案:
根據(jù)DC-DC轉(zhuǎn)換器的最低效率設(shè)計(jì)散熱
控制好靜態(tài)工作電流(IQ)及關(guān)斷電流(ISD)
設(shè)計(jì)中PCB和元件布局平衡整體的系統(tǒng)性能
2012年,歐洲崎页、日本和美國(guó)的汽車(chē)市場(chǎng)將有超過(guò)半數(shù)的汽車(chē)安裝彩色顯示器屉争、導(dǎo)航系統(tǒng)翁纵、衛(wèi)星通信以及其它車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng),因此训奢,2012年汽車(chē)市場(chǎng)的電源需求將于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)有很大差異帘惜。
高可靠性、低成本饼暑、極短的研發(fā)周期等等相互沖突的設(shè)計(jì)要求迫使電源設(shè)計(jì)人員采用新的具有突破性的技術(shù)方案稳析,而這些技術(shù)是傳統(tǒng)的汽車(chē)電源設(shè)計(jì)中不曾涉足的。
汽車(chē)電源設(shè)計(jì)的六項(xiàng)基本原則
大多數(shù)汽車(chē)電源架構(gòu)需要遵循六項(xiàng)基本原則:
1.輸入電壓VIN范圍:12V電池電壓的瞬變范圍決定了電源轉(zhuǎn)換IC的輸入電壓范圍弓叛。
典型的汽車(chē)電池電壓范圍為9V至16V彰居,發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)诚纸,汽車(chē)電池的標(biāo)稱(chēng)電壓為12V;發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)陈惰,電池電壓在14.4V左右畦徘。但是,不同條件下抬闯,瞬態(tài)電壓也可能達(dá)到±100V井辆。ISO7637-1行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義了汽車(chē)電池的電壓波動(dòng)范圍。圖1和圖2所示波形即為ISO7637標(biāo)準(zhǔn)給出的部分波形溶握,圖中顯示了高壓汽車(chē)電源轉(zhuǎn)換器需要滿(mǎn)足的臨界條件杯缺。
除了ISO7637-1,還有一些針對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)定義的電池工作范圍和環(huán)境睡榆。大多數(shù)新的規(guī)范是由不同的OEM廠商提出的萍肆,不一定遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但是以息,任何新標(biāo)準(zhǔn)都要求系統(tǒng)具有過(guò)壓和欠壓保護(hù)固荷。
圖1.冷啟動(dòng)電壓波形
圖2.拋負(fù)載電壓波形
2.散熱考慮:散熱需要根據(jù)DC-DC轉(zhuǎn)換器的最低效率進(jìn)行設(shè)計(jì)。
空氣流通較差甚至沒(méi)有空氣流通的應(yīng)用場(chǎng)合兴题,如果環(huán)境溫度較高(>30°C)应婴,外殼存在熱源(>1W),設(shè)備會(huì)迅速發(fā)熱(>85°C)噩檬。例如林邪,大多數(shù)音頻放大器需要安裝在散熱片上,并需要提供良好的空氣流通條件以耗散熱量肾轨。另外初禁,PCB材料和一定的覆銅區(qū)域有助于提高熱傳導(dǎo)效率,從而達(dá)到最佳的散熱條件档徘。如果不使用散熱片棘魏,封裝上的裸焊盤(pán)的散熱能力限制在2W至3W(85°C)。隨著環(huán)境溫度升高宝各,散熱能力會(huì)明顯降低烹豫。
將電池電壓轉(zhuǎn)換成低壓(例如:3.3V)輸出時(shí),線(xiàn)性穩(wěn)壓器將損耗75%的輸入功率婴削,效率極低廊镜。為了提供1W的輸出功率,將會(huì)有3W的功率作為熱量消耗掉唉俗。受環(huán)境溫度和管殼/結(jié)熱阻的限制嗤朴,將會(huì)明顯降低1W最大輸出功率。對(duì)于大多數(shù)高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器虫溜,輸出電流在150mA至200mA范圍時(shí)雹姊,LDO能夠提供較高的性?xún)r(jià)比股缸。
將電池電壓轉(zhuǎn)換成低壓(例如:3.3V),功率達(dá)到3W時(shí)吱雏,需要選擇高端開(kāi)關(guān)型轉(zhuǎn)換器乓序,這種轉(zhuǎn)換器可以提供30W以上的輸出功率。這也正是汽車(chē)電源制造商通常選用開(kāi)關(guān)電源方案坎背,而排斥基于LDO的傳統(tǒng)架構(gòu)的原因替劈。
大功率設(shè)計(jì)(>20W)對(duì)于熱管理要求比較嚴(yán)格,需要采用同步整流架構(gòu)得滤。為了獲得高于單個(gè)封裝的散熱能力娇建,避免封裝“發(fā)熱”,可以考慮使用外部MOSFET驅(qū)動(dòng)器厘举。
3.靜態(tài)工作電流(IQ)及關(guān)斷電流(ISD):
隨著汽車(chē)中電子控制單元(ECU)數(shù)量的快速增長(zhǎng),從汽車(chē)電池消耗的總電流也不斷增長(zhǎng)桦材。即使當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉并且電池電量耗盡時(shí)屋赌,有些ECU單元仍然保持工作。為了保證靜態(tài)工作電流IQ在可控范圍內(nèi)炮惕,大多數(shù)OEM廠商開(kāi)始對(duì)每個(gè)ECU的IQ加以限制瓜坎。例如歐盟提出的要求是:100μA/ECU。絕大多數(shù)歐盟汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定ECU的IQ典型值低于100μA射贡。始終保持工作狀態(tài)的器件瞪歹,例如:CAN收發(fā)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和微控制器的電流損耗是ECUIQ的主要考慮因素演苍,電源設(shè)計(jì)需要考慮最小IQ預(yù)算蛇热。
4.成本控制:OEM廠商對(duì)于成本和規(guī)格的折中是影響電源材料清單的重要因素。
對(duì)于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品氧吐,成本是設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素讹蘑。PCB類(lèi)型、散熱能力筑舅、允許選擇的封裝及其它設(shè)計(jì)約束條件實(shí)際受限于特定項(xiàng)目的預(yù)算座慰。例如,使用4層板FR4和單層板CM3豁翎,PCB的散熱能力就會(huì)有很大差異角骤。
項(xiàng)目預(yù)算還會(huì)導(dǎo)致另一制約條件隅忿,用戶(hù)能夠接受更高成本的ECU心剥,但不會(huì)花費(fèi)時(shí)間和金錢(qián)用于改造傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)。對(duì)于一些成本很高的新的開(kāi)發(fā)平臺(tái)背桐,設(shè)計(jì)人員只是簡(jiǎn)單地對(duì)未經(jīng)優(yōu)化的傳統(tǒng)電源設(shè)計(jì)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單修整优烧。
5.位置/布局:在電源設(shè)計(jì)中PCB和元件布局會(huì)限制電源的整體性能蝉揍。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路板布局畦娄、噪聲靈敏度又沾、多層板的互連問(wèn)題以及其它布板限制都會(huì)制約高芯片集成電源的設(shè)計(jì)。而利用負(fù)載點(diǎn)電源產(chǎn)生所有必要的電源也會(huì)導(dǎo)致高成本熙卡,將眾多元件集于單一芯片并不理想巷科。電源設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)具體的項(xiàng)目需求平衡整體的系統(tǒng)性能、機(jī)械限制和成本选曼。
6.電磁輻射:
隨時(shí)間變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電磁輻射底靴,輻射強(qiáng)度取決于場(chǎng)的頻率和幅度,一個(gè)工作電路所產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)直接影響另一電路失傍。例如贝崎,無(wú)線(xiàn)電頻道的干擾可能導(dǎo)致安全氣囊的誤動(dòng)作,為了避免這些負(fù)面影響民沈,OEM廠商針對(duì)ECU單元制定了最大電磁輻射限制还凸。
為保持電磁輻射(EMI)在受控范圍內(nèi),DC-DC轉(zhuǎn)換器的類(lèi)型浸速、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)童盏、外圍元件選擇、電路板布局及屏蔽都非常重要就灸。經(jīng)過(guò)多年的積累尿愿,電源IC設(shè)計(jì)者研究出了各種限制EMI的技術(shù)。外部時(shí)鐘同步栏渺、高于AM調(diào)制頻段的工作頻率呛梆、內(nèi)置MOSFET、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)磕诊、擴(kuò)頻技術(shù)等都是近年推出的EMI抑制方案填物。
應(yīng)用與功率需求
大多數(shù)系統(tǒng)電源的基本架構(gòu)選擇應(yīng)從電源要求以及汽車(chē)廠商定義的電池電壓瞬變波形入手。對(duì)于電流的要求應(yīng)該反映到電路板的散熱設(shè)計(jì)霎终。表1歸納了大多數(shù)設(shè)計(jì)的電路及電壓要求滞磺。
表1.通用電源及電壓要求1
通用電源的拓?fù)浼軜?gòu)
圖3.電源結(jié)構(gòu)選項(xiàng):Reg1:8V(CD/DVD驅(qū)動(dòng)器);Reg2:5V(μC)莱褒;Reg3:3.3V(μC)击困;Reg4:2.5V/1.8V(DSP);Reg5:1.2V(存儲(chǔ)器)广凸。
與數(shù)字CMOS工藝類(lèi)似阅茶,模擬BiCMOS也在不斷地縮小設(shè)計(jì)的幾何尺寸,以求獲得最佳的投資回報(bào)谅海,降低工藝開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)脸哀。但是蹦浦,工藝優(yōu)化的方向并不符合汽車(chē)應(yīng)用的需求。例如:大多數(shù)集成工藝針對(duì)降低5.5V至6V輸入電壓范圍的器件成本進(jìn)行優(yōu)化摧垄,但尚未對(duì)9V至10V輸入器件的制造工藝進(jìn)行成本優(yōu)化跃恍。這也正是設(shè)計(jì)中需要產(chǎn)生中等電源,進(jìn)而產(chǎn)生低壓的原因匕蚁。
以下列出了四種常用的電源架構(gòu)态置,總結(jié)了最近三年汽車(chē)領(lǐng)域的典型設(shè)計(jì)架構(gòu)。當(dāng)然渊唁,用戶(hù)可以通過(guò)不同方式實(shí)現(xiàn)具體的設(shè)計(jì)要求荤勤,多數(shù)方案可歸納為這四種結(jié)構(gòu)中的一種。
方案1
該架構(gòu)為優(yōu)化DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率骄鸽、布局鹉陪、PCB散熱及噪聲指標(biāo)提供了極大的靈活性。方案1的主要優(yōu)勢(shì)是:
增加核設(shè)計(jì)的靈活性铅粉。設(shè)計(jì)提供不同的電壓選項(xiàng)戴悔,以滿(mǎn)足特定的設(shè)計(jì)要求。即使不是最低成本/最高效率的解決方案蓄盘,增加一個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器有助于重復(fù)利用原有設(shè)計(jì)俏汇。
有助于合理利用開(kāi)關(guān)電源/線(xiàn)性穩(wěn)壓器。例如羡微,如果系統(tǒng)中提供為處理器供電的3.3V電源谷饿,相對(duì)于直接從汽車(chē)電池降壓到1.8V,從3.3V電壓產(chǎn)生1.8V300mA的電源效率更高妈倔、成本也更低博投。如果新設(shè)計(jì)中需要更改電源電壓,舊的電源模塊不再滿(mǎn)足要求時(shí)盯蝴,設(shè)計(jì)人員可以很容易地選擇一個(gè)替代模塊毅哗,不會(huì)造成任何浪費(fèi)。
合理分配PCB散熱捧挺,這為選擇轉(zhuǎn)換器的位置及散熱提供了靈活性虑绵。
允許使用高性能、高性?xún)r(jià)比的低電壓模擬IC闽烙,與高壓IC相比翅睛,這種方案提供了更寬的選擇范圍。
另外需要注意的是:方案1占用較大的電路板面積黑竞、成本相對(duì)較高捕发,對(duì)于有多路電源需求的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)過(guò)于復(fù)雜。
方案2
該方案是高集成度與設(shè)計(jì)靈活性的折衷,與方案1相比穴示,在成本、外形尺寸和復(fù)雜度方面具有一定的優(yōu)勢(shì)次新。
該方案特別適合兩路降壓輸出并需要獨(dú)立控制的應(yīng)用爽步。例如,3.3V不間斷供電電源傲枕,而在需要時(shí)可以關(guān)閉5V電源沪峰,以節(jié)省IQ電流。另一種應(yīng)用是產(chǎn)生中等電源辩芦,例如5V嘀拂,為低壓轉(zhuǎn)換器供電,利用這種方案可以省去一個(gè)產(chǎn)生8V的boost轉(zhuǎn)換器遥加。
采用外置FET的雙輸出控制器可以提供與方案1相同的PCB布板靈活性袱蔓,便于散熱。內(nèi)置FET的轉(zhuǎn)換器观复,設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意不要在PCB的同一位置耗散過(guò)多的熱量偏序。
方案3
這一架構(gòu)把多路高壓轉(zhuǎn)換問(wèn)題轉(zhuǎn)化成一路高壓轉(zhuǎn)換和一個(gè)高度集成的低壓轉(zhuǎn)換IC,相對(duì)于多輸出高壓轉(zhuǎn)換IC胖替,高集成度低壓轉(zhuǎn)換IC成本較低研儒,且容易從市場(chǎng)上得到。
這種方案有助于簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)独令,可以方便地從不同供應(yīng)商獲得替代器件端朵。另外,高度集成的低壓IC要比多路高壓IC的成本低燃箭。
如果方案3中的低壓PMIC有兩路以上輸出冲呢,那么方案3將存在與方案4相同的缺陷。
方案3的主要劣勢(shì)是多路電壓集中在同一芯片招狸,布板時(shí)需要慎重考慮PCB散熱問(wèn)題碗硬。
方案4
最新推出的高集成度PMIC可以在單芯片上集成所有必要的電源轉(zhuǎn)換和管理功能,突破了電源設(shè)計(jì)中的諸多限制瓢颅。但是恩尾,高集成度也存在一定的負(fù)面影響。
在高集成度PMIC中挽懦,集成度與驅(qū)動(dòng)能力總是相互矛盾翰意。例如,在產(chǎn)品升級(jí)時(shí)这旋,原設(shè)計(jì)中內(nèi)置MOSFET的穩(wěn)壓器可能無(wú)法滿(mǎn)足新設(shè)計(jì)中的負(fù)載驅(qū)動(dòng)要求集蛛。
把低壓轉(zhuǎn)換器級(jí)聯(lián)到高壓轉(zhuǎn)換器有助于降低成本,但這種方式受限于穩(wěn)壓器的開(kāi)/關(guān)控制。例如挟酗,如果5V電源關(guān)閉時(shí)必須開(kāi)啟3.3V電源秆刑,就無(wú)法將3.3V輸入連接到5V電源輸出;否則將不能關(guān)閉5V電源虏斤,造成較高的靜態(tài)電流IQ唧谊。
EMI和負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器可能會(huì)制約核心PMIC的使用,電路板布局以及較長(zhǎng)的引線(xiàn)可能無(wú)法使用PMIC能夠提供的電源電壓脊距。
Maxim的汽車(chē)電源解決方案
Maxim的汽車(chē)電源IC克服了許多電源管理問(wèn)題露惑,能夠提供獨(dú)特的高性能解決方案。電源產(chǎn)品包括過(guò)壓保護(hù)和欠壓保護(hù)种诫、微處理器監(jiān)控钢老、開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器和線(xiàn)性穩(wěn)壓器等高度集成的多功能PMIC,完全滿(mǎn)足汽車(chē)信息娛樂(lè)系統(tǒng)的供電需求烫饼。
Maxim通過(guò)了TS16949(汽車(chē)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn))認(rèn)證猎塞,針對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品配備了專(zhuān)門(mén)的支持隊(duì)伍,提供質(zhì)量認(rèn)證杠纵、客戶(hù)服務(wù)邢享、本地銷(xiāo)售及應(yīng)用支持,擁有滿(mǎn)足汽車(chē)市場(chǎng)需求的IC設(shè)計(jì)資源淡诗。
Maxim的電源IC符合汽車(chē)級(jí)質(zhì)量認(rèn)證和生產(chǎn)要求骇塘,例如:AECQ100認(rèn)證、DFMEA韩容、不同的溫度等級(jí)(包括85°C款违、105°C、125°C等)群凶、特殊的封裝(有引出線(xiàn)的引腳或QFN插爹,帶有裸焊盤(pán)或不帶裸焊盤(pán))要求。
圖4.汽車(chē)電源管理IC请梢,汽車(chē)電源選型赠尾,請(qǐng)參考(暫不可見(jiàn))/Automotive。
高壓?jiǎn)温份敵鯬WM控制器
圖5.MAX15004/MAX15005汽車(chē)VFD供電電源笋棵,啟動(dòng)后次翩,輸入工作電壓可低至2.5V,為VFD提供輸出過(guò)壓保護(hù)蛾岳。
MAX15004/MAX15005為通用的電流模式PWM控制器鹿吴,能夠配制成boost、反激簿睦、正激和SEPIC轉(zhuǎn)換器干策,IC工作在4.5V至40V輸入電壓范圍,允許在15kHz至500kHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率。該款I(lǐng)C還允許同步到一個(gè)外部時(shí)鐘彩淮。
電流模式控制架構(gòu)具有出色的電源瞬態(tài)響應(yīng)特性和逐周期限流相梳,有效簡(jiǎn)化頻率補(bǔ)償“们保可編程斜率補(bǔ)償進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)奢惋,60ns快速限流響應(yīng)時(shí)間和低至300mV的限流門(mén)限使得該控制器非常適合構(gòu)成高效、高頻DC-DC轉(zhuǎn)換器辖备。器件包括內(nèi)部誤差放大器和1%精度的基準(zhǔn)咸唇,便于構(gòu)成隔離或非隔離型原邊穩(wěn)壓器呈驶。
保護(hù)功能包括逐周期拷泽、“打嗝式”限流,輸出過(guò)壓保護(hù)和熱關(guān)斷袖瞻。MAX15004/MAX15005采用16引腳TSSOP封裝司致,帶有裸焊盤(pán)或不帶裸焊盤(pán)。所有器件工作在-40°C至+125°C汽車(chē)級(jí)溫度范圍聋迎。
高壓?jiǎn)温份敵鲋谩⒔祲盒烷_(kāi)關(guān)控制器
圖6.MAX1744/MAX1745為高壓(36V)、降壓型DC-DC控制器霉晕。
MAX1744為單路輸出庭再、汽車(chē)級(jí)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器,能夠承受4.5V至36V瞬變電壓牺堰。器件采用專(zhuān)有的限流控制架構(gòu)拄轻,提供出色的輕載和滿(mǎn)負(fù)荷效率,無(wú)需散熱器即可提供50W的輸出功率伟葫。MAX1745在關(guān)斷時(shí)僅消耗4μA電流恨搓,輕載時(shí)消耗90μA電流。IC規(guī)定工作在+125°C酒旷,提供3mm×3mm雳犹、16引腳μMAX?封裝,帶有裸焊盤(pán)或不帶裸焊盤(pán)渡表。MAX1745可通過(guò)外部電阻調(diào)節(jié)輸出電壓娶讽。
高壓?jiǎn)温份敵鯨DO
圖7.MAX15006/MAX15007為線(xiàn)性穩(wěn)壓器,靜態(tài)電流低至9μA赐罪,可理想用于汽車(chē)中的不間斷供電迁耘。
MAX15006/MAX15007為超低靜態(tài)電流的線(xiàn)性穩(wěn)壓器,能夠工作在4V至40V電壓范圍徊岂。IC可提供高達(dá)50mA的輸出電流粤未,空載時(shí)僅消耗10μA的IQ。內(nèi)置p溝道調(diào)整管即使在滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)也能保持極低的IQ。關(guān)斷時(shí)缚袒,MAX15007僅消耗3μA電流付找。
MAX15006A/MAX15007A提供固定3.3V輸出,MAX15006B/MAX15007B提供固定5V輸出绢贵。MAX15007包括一個(gè)使能輸入艰争,用于器件的通、斷控制桂对。所有器件具有短路保護(hù)甩卓,包括熱關(guān)斷。
MAX15006/MAX15007工作在-40°C至+125°C汽車(chē)級(jí)溫度范圍蕉斜,這些器件提供節(jié)省空間的3mmx3mm逾柿、6引腳TDFN和8引腳SO、增強(qiáng)散熱型封裝宅此。
高壓雙輸出机错、降壓/升壓型開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器
圖8.MAX5098/MAX5099可承受80V拋負(fù)載并可工作在低于6V的冷啟動(dòng)狀態(tài)。
MAX5098/MAX5099為2.2MHz父腕、180°異相雙通道輸出開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器弱匪,內(nèi)置高邊FET。IC工作在4.5V至19V輸入電壓范圍璧亮,集成拋負(fù)載保護(hù)能夠承受高達(dá)80V的瞬態(tài)拋負(fù)載電壓萧诫。MAX5099內(nèi)部集成了兩個(gè)低邊MOSFET驅(qū)動(dòng)器,用于驅(qū)動(dòng)外部同步整流MOSFET枝嘶。輸出1和輸出2可分別提供高達(dá)2A和1A的輸出電流帘饶。MAX5098能夠配制成升壓或降壓轉(zhuǎn)換器,MAX5099只能配置成降壓模式卿才。
MAX5098/MAX5099還具有短路保護(hù)(“打嗝式”限流)和熱保護(hù)電路蝉丧。IC工作在-40°C至+125°C溫度范圍,提供增強(qiáng)散熱的裸焊盤(pán)本博、5mm×5mm就留、32引腳TQFN或28引腳TSSOP封裝。
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