如何克服汽車前端設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

我們可能有過啟動(dòng)汽車的經(jīng)歷，只是聽到咔噠聲而不是引擎轉(zhuǎn)動(dòng)。這是由電池沒電引起的，盡管有很多原因?qū)е逻@種情況發(fā)生，但在大多數(shù)情況下，這是人為錯(cuò)誤（有沒有人一夜之間把室內(nèi)燈打開？）。啟動(dòng)汽車時(shí)也可能出現(xiàn)人為錯(cuò)誤。

圖 1 – 正確連接跨接啟動(dòng)電纜的電池。

汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須為在啟動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤而可能出現(xiàn)的兩種情況做好準(zhǔn)備：電池反接和雙電池情況。反向電池是指電池的跨接電纜的紅色端子連接到電池的地，黑色端子連接到電池的正極，與圖 1 相反。在這種情況下，二極管將保護(hù)系統(tǒng)，但在同時(shí)，二極管在正常運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)損耗。根據(jù)系統(tǒng)的額定功率，正向壓降可以在 0.5V 至 1.0V 之間。這會(huì)產(chǎn)生熱量并增加整個(gè)系統(tǒng)的效率。

卡車和公共汽車使用兩個(gè)串聯(lián)的電池，而汽車只有一個(gè)電池。周圍唯一可以啟動(dòng)我們的汽車的車輛可能是卡車。這會(huì)導(dǎo)致雙電池情況，此時(shí)施加到整個(gè)系統(tǒng)的電壓現(xiàn)在是兩倍。這給系統(tǒng)帶來了很大的壓力。

負(fù)載突降是工程師必須設(shè)計(jì)系統(tǒng)以承受和生存的另一個(gè)條件。這不會(huì)因電池反接等用戶錯(cuò)誤而發(fā)生，因?yàn)樗c系統(tǒng)本身產(chǎn)生問題有關(guān)。

圖 2 – 負(fù)載突降情況圖。

當(dāng)交流發(fā)電機(jī)或電池的接地由于腐蝕甚至安裝不良而與系統(tǒng)斷開時(shí)，就會(huì)發(fā)生負(fù)載突降（如圖 2 所示）。這種斷開會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的電壓尖峰，可能會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)。交流發(fā)電機(jī)在汽車電氣系統(tǒng)運(yùn)行中起著重要作用，因此如果沒有它，我們的電池將耗盡。

所討論的所有條件都對汽車前端設(shè)計(jì)提出了重大挑戰(zhàn)，即如何保護(hù)控制單元、傳感器和娛樂系統(tǒng)等電子設(shè)備免受破壞性浪涌、電壓瞬變、靜電放電 (ESD) 和電源線上存在的噪聲的影響。瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 是一種用于汽車電子保護(hù)的低成本解決方案，具有這些汽車應(yīng)用的幾個(gè)重要參數(shù)，包括額定功率、關(guān)斷電壓、擊穿電壓和最大擊穿電壓。我們還必須確保使用更高 V IN的下游 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以便系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)尖峰問題，因?yàn)?TVS 無法抑制所有內(nèi)容。

在前端電源中，當(dāng)將電池電壓轉(zhuǎn)換為處理器所需的電壓時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器對于系統(tǒng)的整體功率密度和效率至關(guān)重要。開關(guān)穩(wěn)壓器的問題在于它在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲。開關(guān)需要快速改變電氣條件：這包括進(jìn)入開關(guān)的電流；開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓變化；和輸出電壓紋波，以及與外部元件選擇有關(guān)的其他因素。在控制向多個(gè)方向循環(huán)的大量電力時(shí)，由于物理定律，其中一些因素?zé)o法改變。所有這些條件都有助于電磁兼容性，簡稱為 EMC。

汽車 EMC 的主要標(biāo)準(zhǔn)稱為 CISPR 25，它根據(jù)終端設(shè)備要求的嚴(yán)格程度和 EMC 需要的程度包括幾個(gè)等級。我們經(jīng)常可以在收音機(jī)的 AM 頻段聽到 EMC 產(chǎn)生的噪音。這是非常不可取的，因此我們需要通過過濾來抑制這種噪聲。汽車專用開關(guān)穩(wěn)壓器旨在通過結(jié)合架構(gòu)（電流模式是汽車中最常見的架構(gòu)）、組件布局（盡可能靠近開關(guān)穩(wěn)壓器并盡可能少）甚至器件引腳排列來最大限度地降低電磁噪聲。它永遠(yuǎn)不能為零，但可以減少。

在 TI，我們開發(fā)了一個(gè)參考設(shè)計(jì)，使前端汽車電源設(shè)計(jì)人員能夠滿足所有這些汽車系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)并解決本博客中討論的問題。

圖 3 – TI用于汽車后置攝像頭和 ADAS 系統(tǒng)的 CISPR 25 5 類多輸出參考設(shè)計(jì)。

圖 3 所示的 TI Designs 參考設(shè)計(jì)是一種傳導(dǎo)電磁干擾 (EMI) 優(yōu)化的多輸出設(shè)計(jì)，符合 CISPR 25 5 類汽車標(biāo)準(zhǔn)。這種 9W 設(shè)計(jì)非常適合支持冷車發(fā)動(dòng)條件的寬范圍 V IN汽車高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 應(yīng)用。該參考設(shè)計(jì)采用LM53603-Q1 DC/DC 穩(wěn)壓器（用作降壓）、LM26420 DC/DC 穩(wěn)壓器（用作雙降壓）和TPS60150開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器（用作 5V 輸出的電荷泵）。該設(shè)計(jì)接受 4.5V IN至 20V IN的輸入電壓并提供 1.0A 時(shí) 3.3V、1.0A 時(shí) 2.5V、1.0A 時(shí) 1.8V 和 100mA 時(shí) 5V 的輸出。它體積小、價(jià)格便宜、效率高，并可針對 ADAS 和其他汽車相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行定制。四層印刷電路板 (PCB) 尺寸為 65mm x 100mm。

用于汽車后置攝像頭和 ADAS 系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)的CISPR 25 5 類多輸出參考設(shè)計(jì)確保符合汽車電源設(shè)計(jì)工程師面臨的所有相關(guān) EMC、瞬態(tài)電壓甚至尺寸限制。該設(shè)計(jì)還可以防止前面討論的故障條件，例如雙電池和反向電池，它們通常與開關(guān)穩(wěn)壓器無關(guān)，而是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分。