如何為汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本低廉的電源

汽車電子設(shè)計(jì)在面臨性能、可靠性、上市時間等多重設(shè)計(jì)要求的條件下，還必須提供更具競爭力的成本優(yōu)勢。本文將針對這些設(shè)計(jì)要求討論如何為汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本低廉的電源，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)(及重新設(shè)計(jì))、可靠性和芯片成本等問題，并探討有關(guān)問題的解決辦法。

新款的汽車采用越來越多精密的電子零件。這種發(fā)展趨勢使得芯片廠商在開發(fā)新芯片時，將會面對很多新的挑戰(zhàn)：汽車電子系統(tǒng)的工作環(huán)境極為惡劣，例如汽車的使用期較長，工作的溫度范圍很寬；還有電磁干擾和電磁兼容性，甚至機(jī)械性能等問題需要解決。在芯片產(chǎn)品的整體成本承受很大的壓力條件下，技術(shù)上還需要像軍品那樣必須符合嚴(yán)格的要求。出廠的汽車必須安全可靠，能長時間保持最佳的性能狀態(tài)，才可滿足用戶的要求。此外，汽車的設(shè)計(jì)周期必須縮短，以確保新車可以盡快推出市場。

設(shè)計(jì)流程

美國國家半導(dǎo)體公司很早便已推出一套用途非常廣泛的WEBENCH網(wǎng)上設(shè)計(jì)工具，以協(xié)助系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)電源?；谠摴ぞ?，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師即使對電源的設(shè)計(jì)認(rèn)識不深，也可將最高及最低輸入電壓、輸出電壓及電流、溫度范圍等設(shè)計(jì)參數(shù)輸入到WEBENCH，設(shè)計(jì)軟件將根據(jù)這些參數(shù)為他們挑選一些切合其設(shè)計(jì)需要的電源管理芯片。 

圖1：氣囊系統(tǒng)電路圖。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師接著可以從這些芯片之中挑選最切合他們需要的一款，其中包括最新推出內(nèi)含電源開關(guān)及控制器的Simple Switchers系列開關(guān)穩(wěn)壓器芯片。芯片選定之后，WEBENCH的設(shè)計(jì)軟件會為工程師提供一個附有電路圖的系統(tǒng)解決方案，以便工程師可以利用電路圖進(jìn)行仿真測試，以測試系統(tǒng)的電子特性以至其散熱能力。

WEBENCH網(wǎng)上設(shè)計(jì)工具非常容易使用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師只要利用這套設(shè)計(jì)工具便可迅速完成電源的設(shè)計(jì)。這個設(shè)計(jì)網(wǎng)站的數(shù)據(jù)庫儲存了數(shù)百款芯片的資料，所有設(shè)計(jì)工具都可支持多種不同的架構(gòu)。設(shè)計(jì)完成之后，工程師可將整個設(shè)計(jì)與同事或供應(yīng)商參考，他們甚至可以在網(wǎng)上訂購原型電路板，供應(yīng)商保證有關(guān)產(chǎn)品幾日內(nèi)便可送到客戶手中，所需的分立元件也會跟模板一并寄出，工程師只需將分立元件焊在電路板上便可，這樣可確保產(chǎn)品更快推出市場。

使用這套設(shè)計(jì)工具無需繳付非常昂貴的仿真測試、授權(quán)費(fèi)。由確定技術(shù)參數(shù)至電路布局的構(gòu)思，整個設(shè)計(jì)過程都可獲得支持。工程師可以挑選合適的芯片進(jìn)行電子及熱性能方面的仿真測試。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師只要采用這套設(shè)計(jì)工具，便可節(jié)省設(shè)計(jì)及調(diào)試時間，也為公司節(jié)省更多開發(fā)成本。此外，許多公司雖然擅長設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)，但對電源的設(shè)計(jì)反而認(rèn)識不深。以往他們可能需要聘請外面的顧問公司才可完成這方面的工作，但現(xiàn)在他們只要采用WEBENCH設(shè)計(jì)工具，便無需尋求外援，使這方面的開支也可節(jié)省下來。

新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

1. 靜態(tài)電流

汽車工業(yè)的發(fā)展一日千里，新的挑戰(zhàn)不斷涌現(xiàn)。例如，汽車電子系統(tǒng)所要求的靜態(tài)電流標(biāo)準(zhǔn)也越趨嚴(yán)格，越來越多汽車制造商要求芯片供應(yīng)商為他們提供靜態(tài)電流低于100uA的ECU芯片，這是因?yàn)殪o態(tài)電流如果不夠低，汽車在連續(xù)停泊數(shù)星期之后，車內(nèi)的電池便會因多日不用而無法重新啟動。解決這個問題的其中一個方法是縮短電池與ECU芯片之間的供電線路。但啟動這個開關(guān)穩(wěn)壓器仍然會耗用一定的電量，因?yàn)殚_關(guān)穩(wěn)壓器采用金屬氧化半導(dǎo)體(MOS)技術(shù)制造，而開關(guān)啟動時會產(chǎn)生較小電阻。由于要輸出大量電流，因此需要裝設(shè)許多開關(guān)，令耗電量也相應(yīng)大增。這個方案極少采用的原因亦在于此。

2. 負(fù)載突降

第二個要面對的問題是負(fù)載突降(Load-dump，汽車引擎啟動瞬間會出現(xiàn)負(fù)載突降，將從電池供電轉(zhuǎn)到發(fā)電機(jī)供電，出現(xiàn)持續(xù)時間為100mS到500mS的40V到60V的電壓轉(zhuǎn)換)，解決的方法則完全不同。以往國家半導(dǎo)體的客戶都要求芯片必須設(shè)有過壓保護(hù)功能。但目前越來越多汽車電子系統(tǒng)，例如駕駛盤動力操控系統(tǒng)早在點(diǎn)燃引擎時便已開始工作，因此芯片必須能夠在負(fù)載突降時正常運(yùn)作。正因如此，國家半導(dǎo)體目前正為低壓降穩(wěn)壓器系列的其中幾個型號重新加設(shè)過壓保護(hù)功能。LM9070、LM9071及LM9072 芯片便是具有這個功能的幾款低壓降穩(wěn)壓器。對于輸入電壓范圍更寬的版本，將在這些型號后面添加 HV 兩個字母作為識別。

3. 42伏供電總線

圖2：氣囊系統(tǒng)的電源分配結(jié)構(gòu)-系統(tǒng)電路圖。

預(yù)計(jì)在未來幾年內(nèi)，新推出的汽車都會采用42伏的供電總線。采用42伏供電總線的好處是可以降低汽車的耗電量及電纜的重量。但供電電壓若提高至42伏，電源的轉(zhuǎn)換效率便會下降，結(jié)果是得不償失。

a. 效率上的考慮

我們?nèi)衾?.3伏的電池為電子系統(tǒng)提供所需的100mA供電，系統(tǒng)的實(shí)際功耗只有330mW。低壓降穩(wěn)壓器芯片若利用12伏電池供電，那么即使不將靜態(tài)電流計(jì)算在內(nèi)，系統(tǒng)的整體功耗也不會少于12V*100mA=1.2W。以采用42伏電池的系統(tǒng)來說，系統(tǒng)功耗便等于42V*100mA=4.2W。換言之，低壓降穩(wěn)壓器若利用42伏的電池為電子系統(tǒng)提供穩(wěn)壓供電，其效率比利用傳統(tǒng)的12伏電池低3倍以上。低壓降穩(wěn)壓器的效率與輸出電壓/輸入電壓(Vout/Vin)成正比，其效率(=(Vout*Iout)/(Vin*(Iout+Iq))。但降壓直流/直流轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率會更高。LM2675芯片若以12伏的輸入電壓工作，效率可高達(dá)90%，若以40伏的輸入電壓工作則可達(dá)82%。LM5007芯片的轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)93%。

b. 功耗方面的考慮

低壓降穩(wěn)壓器芯片的效率很低，較易造成能源的浪費(fèi)，而且所耗散的能量會積聚在一起，令周圍環(huán)境溫度上升，以致芯片的結(jié)溫也會隨著上升。我們可以利用以下的公式計(jì)算出溫度的大約上升幅度：

P(浪費(fèi)掉的功率)=(Tj-Ta)/((j,a)=(Vin-Vout)*Iout

c. 可滿足未來需要的芯片設(shè)計(jì)

審慎的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該放眼將來，力求能滿足未來一代的需要。他們應(yīng)該從現(xiàn)在開始便挑選可以支持42伏電池的穩(wěn)壓器，以免幾年后需要由零開始重新設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)。LM2936HV低壓降穩(wěn)壓器芯片與 LM295X開關(guān)穩(wěn)壓器芯片是專為42伏供電總線而設(shè)計(jì)的，這兩個系列穩(wěn)壓器芯片以及相關(guān)的器件都在www.national.com/appinfo/automotive/42V.html這個網(wǎng)頁上有詳細(xì)的介紹。

氣囊的電源供應(yīng)系統(tǒng)

即使是小型的汽車目前都設(shè)有6個氣囊，而且所采用的安全標(biāo)準(zhǔn)要求極高。負(fù)責(zé)為氣囊充氣的是一款稱為爆管驅(qū)動器(squib driver)的特別芯片，該芯片必須能夠在撞車的緊急關(guān)頭立即啟動。按照圖1所示，氣囊系統(tǒng)由多個部分組成。

爆管驅(qū)動器設(shè)于車廂之內(nèi)，而電池則設(shè)于車頭蓋之下。撞車時，爆管驅(qū)動器與電池之間的線路連接可能會因?yàn)樽矒舳鴶嚅_，因此安全電容器一般會設(shè)于爆管驅(qū)動器的旁邊，以便驅(qū)動器的附近有足夠的儲電可以提供動力，為氣囊充氣。

以下簡單介紹氣囊系統(tǒng)的充氣過程。氣囊系統(tǒng)設(shè)有升壓轉(zhuǎn)換器，一般來說，這些升壓轉(zhuǎn)換器都采用 sepic拓?fù)?sepic拓?fù)湟箅娐分胁捎脙蓚€電感) 或回掃拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(回掃拓?fù)渲行枰捎靡粋€變壓器)。進(jìn)行充氣之前，氣囊系統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)換器會先將電池電壓(Vbat)提高(這個電池電壓在負(fù)載突降時可高達(dá) 40伏)，直至達(dá)到安全電壓(Vsafe)要求的電平，這樣可確保安全電容器儲存大量電能(見圖2)。之后才將這個較高的安全電壓調(diào)低至幾伏，這個較低的電壓稱為遠(yuǎn)程電壓(Vremote)。必須嚴(yán)格按照這個充氣準(zhǔn)備程序，以確保其后幾級的低壓降穩(wěn)壓器出現(xiàn)較少壓降。壓降越少，功耗也就越低，效率也就越高。

圖 3：氣袋系統(tǒng)的電源分配結(jié)構(gòu) - 系統(tǒng)電路圖

由于Vremote的數(shù)值較低，其后幾級的低壓降穩(wěn)壓器即使并不屬于汽車級別的產(chǎn)品，其輸入電壓范圍也可滿足有關(guān)的要求。LP2985系列芯片便屬于這類的穩(wěn)壓器，其輸入電壓高達(dá)16伏，輸出電流為150mA，結(jié)溫可高達(dá)125℃，適用于大部分的應(yīng)用場合。

LM9076穩(wěn)壓器芯片則適用于更高溫的工作環(huán)境，其接面溫度可高達(dá)150℃。這款穩(wěn)壓器可利用8伏的輸入電壓輸出150mA的電流及5伏的電壓。在額定的工作溫度及負(fù)載范圍內(nèi)，這款穩(wěn)壓器芯片可以保持極高的輸出電壓準(zhǔn)確度(高達(dá)2%)。由于這個結(jié)構(gòu)采用了安全電容器，因此工作時更為安全可靠。從成本的角度看，采用遠(yuǎn)程低壓降穩(wěn)壓器無需加設(shè)任何散熱器，因此有助節(jié)省成本。由于Vsafe(Vbat(最高值)，而一級轉(zhuǎn)換器可用作升壓轉(zhuǎn)換器，因此無需采用布局較為復(fù)雜的sepic或回掃式的轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器適用于降壓穩(wěn)壓器，后者成本也較低。由于低壓降穩(wěn)壓器無需利用高壓電源，因此有多種不同的 CMOS或低電壓雙極芯片可供選擇。

有多個不同電壓輸出可供選擇

我們?nèi)舨捎瞄_關(guān)穩(wěn)壓器作為輸入級，再以多個低壓降穩(wěn)壓器提供輸出，便可降低電源系統(tǒng)的整體成本。高功率的電源系統(tǒng)甚至必須采用這樣的設(shè)計(jì)。圖4是其中一個示例。

圖 4：可提供多個輸出的配置

確定最理想的局部電壓(Vlocal)時，必須詳細(xì)考量以下各參數(shù)：

Vlocal必須低至可以確保低壓降穩(wěn)壓器不會耗散太多功率。Iout(最高值)=(Tj-Ta)/(((j,a)*(Vin-Vout))

只有在整體電壓超過指定壓降的情況下低壓降穩(wěn)壓器才會將電壓穩(wěn)定下來，因此Vlocal必須比Vx+VDox高。

本文總結(jié)

電源若采用恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，將有助降低系統(tǒng)開發(fā)的總體成本。若應(yīng)用環(huán)境極為惡劣，例如在電池電壓、輸出電流以及溫度等都處于極高水平的情況下，我們必須考慮采用多轉(zhuǎn)換級的結(jié)構(gòu)。目前市場上有很多專為汽車電源供應(yīng)系統(tǒng)而設(shè)的穩(wěn)壓器芯片可供選擇。采用WEBENCH等免費(fèi)的網(wǎng)上設(shè)計(jì)工具也有助降低設(shè)計(jì)成本以及縮短產(chǎn)品的上市時間。汽車廠商都希望縮短新車的設(shè)計(jì)周期，因此穩(wěn)壓器芯片將會更受汽車廠商的歡迎。即使是同一輛汽車，不同的子系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時也各有不同的局限，因此設(shè)計(jì)這些電子系統(tǒng)的工程師必須對這方面有相當(dāng)?shù)恼J(rèn)識。