高性能汽车电源设计的发展趋势

中心议题：

汽车电源设计的六项基本原则

实际应用与功率需求

解决方案：

根据DC-DC转换器的最低效率设计散热

控制好静态工作电流(IQ)及关断电流(ISD)

设计中PCB和元件布局平衡整体的系统性能

2012年，欧洲、日本和美国的汽车市场将有超过半数的汽车安装彩色显示器、导航系统、卫星通信以及其它车载信息娱乐系统，因此，2012年汽车市场的电源需求将于传统设计有很大差异。

高可靠性、低成本、极短的研发周期等等相互冲突的设计要求迫使电源设计人员采用新的具有突破性的技术方案，而这些技术是传统的汽车电源设计中不曾涉足的。

汽车电源设计的六项基本原则

大多数汽车电源架构需要遵循六项基本原则：

1.输入电压VIN范围：12V电池电压的瞬变范围决定了电源转换IC的输入电压范围。

典型的汽车电池电压范围为9V至16V，发动机关闭时，汽车电池的标称电压为12V;发动机工作时，电池电压在14.4V左右。但是，不同条件下，瞬态电压也可能达到±100V。ISO7637-1行业标准定义了汽车电池的电压波动范围。图1和图2所示波形即为ISO7637标准给出的部分波形，图中显示了高压汽车电源转换器需要满足的临界条件。

除了ISO7637-1，还有一些针对燃气发动机定义的电池工作范围和环境。大多数新的规范是由不同的OEM厂商提出的，不一定遵循行业标准。但是，任何新标准都要求系统具有过压和欠压保护。

图1.冷启动电压波形

图2.抛负载电压波形

2.散热考虑：散热需要根据DC-DC转换器的最低效率进行设计。

空气流通较差甚至没有空气流通的应用场合，如果环境温度较高(>30°C)，外壳存在热源(>1W)，设备会迅速发热(>85°C)。例如，大多数音频放大器需要安装在散热片上，并需要提供良好的空气流通条件以耗散热量。另外，PCB材料和一定的覆铜区域有助于提高热传导效率，从而达到最佳的散热条件。如果不使用散热片，封装上的裸焊盘的散热能力限制在2W至3W(85°C)。随着环境温度升高，散热能力会明显降低。

将电池电压转换成低压(例如：3.3V)输出时，线性稳压器将损耗75%的输入功率，效率极低。为了提供1W的输出功率，将会有3W的功率作为热量消耗掉。受环境温度和管壳/结热阻的限制，将会明显降低1W最大输出功率。对于大多数高压DC-DC转换器，输出电流在150mA至200mA范围时，LDO能够提供较高的性价比。

将电池电压转换成低压(例如：3.3V)，功率达到3W时，需要选择高端开关型转换器，这种转换器可以提供30W以上的输出功率。这也正是汽车电源制造商通常选用开关电源方案，而排斥基于LDO的传统架构的原因。

大功率设计(>20W)对于热管理要求比较严格，需要采用同步整流架构。为了获得高于单个封装的散热能力，避免封装“发热”，可以考虑使用外部MOSFET驱动器。

3.静态工作电流(IQ)及关断电流(ISD)：

随着汽车中电子控制单元(ECU)数量的快速增长，从汽车电池消耗的总电流也不断增长。即使当发动机关闭并且电池电量耗尽时，有些ECU单元仍然保持工作。为了保证静态工作电流IQ在可控范围内，大多数OEM厂商开始对每个ECU的IQ加以限制。例如欧盟提出的要求是：100µA/ECU。绝大多数欧盟汽车标准规定ECU的IQ典型值低于100µA。始终保持工作状态的器件，例如：CAN收发器、实时时钟和微控制器的电流损耗是ECUIQ的主要考虑因素，电源设计需要考虑最小IQ预算。

4.成本控制：OEM厂商对于成本和规格的折中是影响电源材料清单的重要因素。

对于大批量生产的产品，成本是设计中需要考虑的重要因素。PCB类型、散热能力、允许选择的封装及其它设计约束条件实际受限于特定项目的预算。例如，使用4层板FR4和单层板CM3，PCB的散热能力就会有很大差异。

项目预算还会导致另一制约条件，用户能够接受更高成本的ECU，但不会花费时间和金钱用于改造传统的电源设计。对于一些成本很高的新的开发平台，设计人员只是简单地对未经优化的传统电源设计进行一些简单修整。

5.位置/布局：在电源设计中PCB和元件布局会限制电源的整体性能。

结构设计、电路板布局、噪声灵敏度、多层板的互连问题以及其它布板限制都会制约高芯片集成电源的设计。而利用负载点电源产生所有必要的电源也会导致高成本，将众多元件集于单一芯片并不理想。电源设计人员需要根据具体的项目需求平衡整体的系统性能、机械限制和成本。

6.电磁辐射：

随时间变化的电场会产生电磁辐射，辐射强度取决于场的频率和幅度，一个工作电路所产生的电磁干扰会直接影响另一电路。例如，无线电频道的干扰可能导致安全气囊的误动作，为了避免这些负面影响，