隨著高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng) （ADAS） 和車內(nèi)信息娛樂系統(tǒng)的普及，車輛儼然變成了車輪上的復(fù)雜電子系統(tǒng)，其中需要多電平、無(wú)噪聲的 DC 電源軌。然而，典型的車輛電池在其工作環(huán)境中很難達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這就要求設(shè)計(jì)人員密切關(guān)注電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　ADAS 系統(tǒng)的范圍包括自適應(yīng)巡航控制、防撞功能、GPS、備用攝像頭、車道偏離提醒、穩(wěn)定性控制以及連接能力，而信息娛樂系統(tǒng)包括顯示屏和多媒體播放器。通過(guò)汽車的 12 V 電池（某些情況下甚至是 24 V 或 48 V）為這些功能調(diào)節(jié) DC 電源，其難度非常大，原因包括：電池輸出噪聲、電壓尖峰、負(fù)載突降瞬變、極端溫度及循環(huán)、經(jīng)由狹窄高溫位置中的電子元器件、不得不承受振動(dòng)和沖擊等。

　　此外，DC/DC 轉(zhuǎn)換器 IC 可用于調(diào)節(jié)電池輸出以提供各種 ADAS 功能所需的多個(gè) DC 電源軌，其必須在惡劣的電氣和環(huán)境條件下工作。這類轉(zhuǎn)換器還必須以高效率、低靜態(tài)電流和最小 EMI 提供精密調(diào)節(jié)。

　　本文將說(shuō)明工作環(huán)境和條件，并介紹為幫助緩解相關(guān)問(wèn)題而開發(fā)的汽車標(biāo)準(zhǔn)。然后，本文將描述有助于滿足汽車配電要求的電源穩(wěn)壓器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器及其用法。

　　引擎蓋下的問(wèn)題

　　對(duì)于電子元器件（和機(jī)械部件）而言，汽車是一個(gè)頗具挑戰(zhàn)性的惡劣環(huán)境，具體表現(xiàn)在四個(gè)方面：電氣、熱、沖擊/振動(dòng)和可用空間。下面予以簡(jiǎn)要說(shuō)明：

　　電氣：來(lái)自電池的未經(jīng)調(diào)節(jié)的電源軌不是簡(jiǎn)單且穩(wěn)定的 DC 電流源，大多數(shù)電池都是如此；相反，它會(huì)受到冷起動(dòng)電壓下降（圖 1）、“負(fù)載突降”（當(dāng)連接到交流發(fā)電機(jī)的負(fù)載突然斷開時(shí)）引起的高壓浪涌（圖 2 和表 1）以及噪聲和 EMI/RFI 的影響。

　　圖 1：冷起動(dòng)條件下的典型電池電壓曲線與更良性應(yīng)用中的電池輸出曲線幾乎沒有相似之處。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

　　圖 2：典型負(fù)載突降脈沖的特點(diǎn)是快速上升、緩慢下降、時(shí)序可變。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

　　表 1：12 V 和 24 V 電池系統(tǒng)的未抑制負(fù)載突降脈沖（此處由 ISO7637-2:2004 ［1］ -5 定義）的典型值。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

　　因此，本地 DC/DC 穩(wěn)壓器必須處理這些實(shí)際情況，在寬輸入電壓 （VIN） 范圍內(nèi)工作，并且容許電池反極性連接。此外，這些穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流必須非常低，以便在汽車?yán)響?yīng)“停止運(yùn)行”時(shí)最大限度地減少電池消耗。

　　原因是很多 ADAS（及其他）功能并沒有與電池物理斷開，而是使用“軟”開/關(guān)，因此在“停止運(yùn)行”時(shí)實(shí)際上處于靜態(tài)。整體來(lái)說(shuō)，如果汽車數(shù)周未使用，這些功能消耗的所謂“吸血鬼功率”可能會(huì)耗盡電池。

　　熱：根據(jù)工作條件和探頭位置，引擎蓋下溫度的范圍可從零下（冬季停車時(shí)）跨度到 150°C 至 200°C 以上（圖 3）。雖然汽車的其他區(qū)域（如駕駛室）不會(huì)變得這么熱，但如果汽車停在陽(yáng)光下，這些區(qū)域仍有可能經(jīng)受相當(dāng)高的溫度。當(dāng)車外溫度在 25°C （77°F） 至 40°C （104°F） 之間時(shí)，在直射陽(yáng)光下停放的汽車內(nèi)部溫度可能攀升到 50°C （122°F） 至 75°C （167°F） 之間。

　　圖 3：Chevrolet Silverado 以 40 mph 的速度爬山時(shí)，在不同位置測(cè)得的車輛溫度；許多部位超過(guò) 150°C。（圖片來(lái)源：Pelican Parts）

　　沖擊/振動(dòng)：機(jī)械沖擊和振動(dòng)始終會(huì)存在；基本機(jī)械分析表明，越小越輕的元器件越不容易受到這些干擾的影響，緩沖和防震（如需要）也越簡(jiǎn)單。再者，此類元器件所需的電路板會(huì)更小，這也有相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。

　　尺寸：小尺寸還有一個(gè)與沖擊/振動(dòng)無(wú)關(guān)的主要優(yōu)勢(shì)。由于汽車有外殼這樣的固定物理“封裝”，很難找到合適的地方來(lái)放置 ADAS 功能電路（很多情況下還有相關(guān)傳感器）。雖然某些電路可以位于幾乎任何空位，但許多 ADAS 傳感器和前端信號(hào)調(diào)節(jié)電路需要位于特定位置，即便支持電子設(shè)備可以位于其他地方。

　　汽車標(biāo)準(zhǔn)定義挑戰(zhàn)

　　汽車動(dòng)力來(lái)源主要有三個(gè)：電力 （EV），混合動(dòng)力 （HEV），當(dāng)然還有內(nèi)燃機(jī)。其尺寸、樣式、能力和成本點(diǎn)也各不相同。業(yè)界已經(jīng)為電子元器件、軟件及子系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)和性能級(jí)別制定了標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)認(rèn)證不同級(jí)別的基本集成電路 （IC），設(shè)計(jì)人員便知道其所獲得的構(gòu)件可用于“構(gòu)建”具有明確性能的電路板、組件、子系統(tǒng)和完整的功能。

　　關(guān)于這種性能定義能力的主要標(biāo)準(zhǔn)是汽車安全完整性等級(jí) （ASIL） 方案，它是一種由 ISO 26262（公路車輛功能安全標(biāo)準(zhǔn)）定義的多級(jí)風(fēng)險(xiǎn)分類方法。最高等級(jí)是 ASIL-D，代表最高程度的汽車危險(xiǎn)，因此需要最高程度地確保滿足安全要求（圖 4）。按降序排列在最高等級(jí) ASIL-D 之后的是 -C、-B 和 -A 等級(jí)，它們定義了中等程度的危險(xiǎn)和所需的保證，最后是 ASIL QM，其針對(duì)沒有汽車危險(xiǎn)的應(yīng)用，因此也就無(wú)需管理任何安全要求（例如無(wú)線電）

　　圖 4：ASIL-D 至 ASIL-A 將汽車功能依據(jù)對(duì)車輛安全、運(yùn)行、控制和其他因素的重要性進(jìn)行分類，ASIL-D 為最嚴(yán)格。（圖片來(lái)源：Mentor Graphics）

　　針對(duì)設(shè)計(jì)用于 ADAS 功能的元器件（包括 DC/DC 穩(wěn)壓器），其供應(yīng)商會(huì)測(cè)試并證明元器件滿足和超過(guò)特定等級(jí)的 ASIL 性能要求，包括但不限于溫度、振動(dòng)和故障模式方面的要求。

　　另一個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是 AEC-Q100，其中包含由汽車電子委員會(huì) （AEC） 制定的一套 IC 認(rèn)證測(cè)試序列。它為新產(chǎn)品和升級(jí)產(chǎn)品的零件認(rèn)證和質(zhì)量體系設(shè)定了標(biāo)準(zhǔn)。AEC-Q100 還建立了溫度等級(jí)，針對(duì)元器件有明確的等級(jí)劃分，其中等級(jí) 0 的范圍最寬（表 2）。

　　表 2：AEC-Q100 的溫度等級(jí)確定了基本工作范圍，并帶有相應(yīng)的后綴。（圖片來(lái)源：Cypress Semiconductor Corp.）

　　滿足 ADAS 要求的 DC/DC 穩(wěn)壓器

　　ADAS 功能的要求苛刻，IC（包括 DC/DC 穩(wěn)壓器）必須滿足這種應(yīng)用在電氣、熱和尺寸方面的需求。這些元器件力圖滿足與電氣、熱、沖擊/振動(dòng)和可用空間相關(guān)的多個(gè)（如果不是全部）汽車 ASIL 目標(biāo)。

　　例如，Maxim Integrated 的 MAX16930 是一款 36 V DC/DC 穩(wěn)壓器，靜態(tài)電流只有 20 微安 （μA）（圖 5）。這款汽車級(jí)三路輸出開關(guān)器件集成了兩個(gè)同步降壓控制器和一個(gè)異步升壓“預(yù)升壓”控制器，提供多達(dá)三個(gè)獨(dú)立控制的電源軌：一個(gè)提供可調(diào)輸出電壓的預(yù)升壓控制器；一個(gè)提供固定 5 V 輸出或 1 V 至 10 V 可調(diào)輸出的降壓控制器；以及一個(gè)提供固定 3.3 V 輸出或 1 V 至 10 V 可調(diào)輸出的降壓控制器。

　　圖 5：MAX16930 多路輸出降壓穩(wěn)壓器的預(yù)升壓特性使其能夠在冷起動(dòng)期間運(yùn)行，此時(shí)電池電壓降至較低的一位數(shù)值（黃色）。（圖片來(lái)源：Maxim Integrated）

　　MAX16930 采用 3.5 V 至 36 V 的寬范圍電源軌工作，而預(yù)升壓可將工作電壓降至 2 V（自舉模式），滿足冷起動(dòng)運(yùn)行的需求（見圖 5）。降壓控制器和預(yù)升壓功能均可提供高達(dá) 10 A 的輸出電流，并且可獨(dú)立控制。用戶可調(diào)的開關(guān)頻率（200 kHz 到高達(dá) 2.2 MHz）以及可選的擴(kuò)頻操作，確保無(wú) AM 頻段干擾。

　　MAX16930 提供時(shí)鐘設(shè)置選擇，設(shè)計(jì)人員得以最大限度地減少與 IC 時(shí)鐘引起的干擾以及多個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘混頻造成的拍頻相關(guān)的問(wèn)題。用戶必須從三種頻率功能模式中進(jìn)行選擇：

　　基本固定頻率運(yùn)行，使用用戶定義的頻率。

　　跳頻模式，在負(fù)載較輕時(shí)禁用時(shí)鐘，僅在需要時(shí)啟用以維持輸出電壓調(diào)節(jié)。

　　與外部時(shí)鐘同步。IC 可以在這些模式之間“即時(shí)”切換，但這需要更多的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn) IC 管理。

　　該 IC 提供的另一個(gè)選項(xiàng)是調(diào)用擴(kuò)頻時(shí)鐘以在標(biāo)稱頻率值附近隨機(jī)擾動(dòng)時(shí)鐘，使時(shí)鐘源引起的單頻率 EMI 最小；不需要的 EMI 能量分散在更寬的頻譜上，但任何單一頻率的峰值幅度更低。

　　用戶還必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段確定內(nèi)部線性穩(wěn)壓器 （LDO） 的“值”，可通過(guò)連接外部電源軌將其旁路。

　　一方面，LDO 輸出非常安靜，可用于向要求電源軌噪聲盡可能低的小型局部負(fù)載供電；另一方面，其效率不如 MAX16930 中的開關(guān)穩(wěn)壓器。

　　為了解決基底面問(wèn)題，一種常見的技術(shù)是增加單個(gè) IC 的不同輸出的數(shù)量。Analog Devices 的 LT8603 是一款四路輸出器件，集成了兩個(gè)高輸入電壓降壓開關(guān)穩(wěn)壓器、一個(gè)低輸入電壓降壓穩(wěn)壓器和一個(gè)升壓控制器，全部采用一個(gè) 6 × 6 mm 封裝。

　　借助配置為提供 VIN 電源的升壓控制器，即使升壓輸入電壓低于調(diào)節(jié)的輸出電壓（例如在冷起動(dòng)情況下），IC 也會(huì)產(chǎn)生三個(gè)穩(wěn)壓輸出（圖 6）。

　　圖 6：LT8603 可配置為按規(guī)格運(yùn)行，即使在冷起動(dòng)條件下也能提供全部 DC 輸出。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

　　該 IC 采用高達(dá) 42 V 的電源軌工作，開關(guān)頻率由用戶選擇，范圍是 250 kHz 至 2.2 MHz，以最大限度地降低 EMI。輻射 EMI（CISPR 25 輻射放射測(cè)試，5 級(jí)峰值限制）低于允許限值（短水平段）（圖 7）。

　　圖 7：在使用 14 V 電源且開關(guān)頻率為 2 MHz 的情況下，LT8603 的輻射 EMI（CISPR 25 輻射放射測(cè)試，5 級(jí)峰值限制）表明其輻射低于允許限值（短水平段）。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

　　該 IC 的四個(gè)通道獨(dú)立供電，設(shè)計(jì)人員須決定如何進(jìn)行連接以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和電路目標(biāo)。例如，升壓輸出可配置為向降壓轉(zhuǎn)換器提供輸入電壓，即使升壓輸入電壓低于調(diào)節(jié)的降壓輸出（冷起動(dòng)情況下可能出現(xiàn)這種情況），也會(huì)產(chǎn)生三個(gè)精密調(diào)節(jié)的輸出。但是，升壓模式控制器也可以由降壓控制器輸出驅(qū)動(dòng)，或配置為 SEPIC 轉(zhuǎn)換器；在這種情況下，IC 提供多達(dá)四個(gè)精密調(diào)節(jié)的輸出。

　　四個(gè)通道的開關(guān)頻率范圍是設(shè)計(jì)人員必須確定的另一個(gè)因素，這必須在選擇振蕩器頻率之前完成，振蕩器頻率可以通過(guò)單個(gè)電阻在 250 kHz 至 2.2 MHz 的范圍內(nèi)設(shè)置。一般而言，頻率較低時(shí)，開關(guān)損耗也較低，對(duì)時(shí)序約束（例如最小導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間）較不敏感，因而效率更高，輸入電壓工作范圍更寬。

　　但是，較高開關(guān)頻率允許使用較小元器件，并能讓開關(guān)相關(guān)的噪聲遠(yuǎn)離敏感頻帶，例如 AM 無(wú)線電。缺點(diǎn)是效率會(huì)降低。

　　為高性能 ADAS 傳感器供電

　　有些 ADAS 功能具有高性能傳感器前端，因而要求更低的噪聲或更快的瞬態(tài)響應(yīng)，這超出了大多數(shù)開關(guān)降壓穩(wěn)壓器的能力。Maxim MAX15027 低壓差線性穩(wěn)壓器（符合 AEC-100 1 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）專為此類情況而設(shè)計(jì)。其輸入電壓低至 1.425 V，可提供高達(dá) 1 A 的連續(xù)輸出電流，最大壓差僅為 225 毫伏 （mV）。其寬帶寬支持快速瞬態(tài)響應(yīng)，因而在 500 mA 負(fù)載階躍下可將輸出電壓偏差限制在 15 mV，輸出端僅使用一個(gè) 4.7 微法 （μF） 陶瓷電容器。

　　一些實(shí)現(xiàn) LDO 最佳性能所需采取的預(yù)防措施

　　盡管 MAX15027 是 LDO，而且其使用的電源穩(wěn)壓器拓?fù)錁O為簡(jiǎn)單，但仍需采取一些預(yù)防措施。首先，1μF 陶瓷輸入電容器和 4.7μF 陶瓷輸出電容器必須是高質(zhì)量、低 ESR（毫歐級(jí)）產(chǎn)品；如果 ESR 為幾歐姆或更高，則 LDO 的線路和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)將受到影響，內(nèi)部 LDO 環(huán)路穩(wěn)定性會(huì)有問(wèn)題，并且可能發(fā)生自激振蕩。

　　其次，印刷電路板布局必須解決散熱和發(fā)熱問(wèn)題，因?yàn)榕c開關(guān)穩(wěn)壓器相比，LDO 相對(duì)于其封裝尺寸而言耗散率較高。為此，MAX15027 的 TDFN 封裝下表面有一個(gè)裸露導(dǎo)熱墊，以確保其通過(guò)一條低熱阻路徑連接到印刷電路板。該路徑將大部分熱量帶離 IC，使印刷電路板成為高效散熱器。裸露導(dǎo)熱墊應(yīng)連接到較大接地平面，以獲得最佳熱和電氣性能。

　　然而，這種孤立考慮的方法是必要的，但還不夠。使用熱建模至關(guān)重要，可確保附近的 IC 和其他元器件不會(huì)也假設(shè)能使用印刷電路板的同一銅層來(lái)滿足其自身的散熱需求，使得總熱負(fù)荷超出所選散熱策略的能力。

　　這種策略通常開始于通過(guò)導(dǎo)熱墊將熱量導(dǎo)離 IC 進(jìn)入印刷電路板層，然后大多是與遠(yuǎn)處的散熱器或冷板進(jìn)行對(duì)流。這種熱源“擁擠”可能會(huì)使從 IC 下表面導(dǎo)熱墊開始的基本散熱方案無(wú)效。

　　總結(jié)

　　ADAS 和信息娛樂系統(tǒng)的使用，意味著必須解決其獨(dú)特且常常具有挑戰(zhàn)性的 DC 電源需求。這推動(dòng)了 IC 和其他元器件的開發(fā)和生產(chǎn)，它們能在極端溫度和 DC 輸入軌電壓范圍內(nèi)工作，同時(shí)靜態(tài)電流消耗非常低。這些 IC 還必須很小，以降低其對(duì)振動(dòng)和沖擊的敏感性，而幸運(yùn)的是，小尺寸還支持緊湊的 ADAS 功能電路設(shè)計(jì)。

　　現(xiàn)在，電源穩(wěn)壓器供應(yīng)商提供各種針對(duì) ADAS 優(yōu)化的開關(guān)和 LDO DC/DC 器件，這些器件符合嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)導(dǎo)入挑戰(zhàn)和 BOM 決策。