适用汽车电子电源稳压器和 DC/DC 转换器及其用法

　　随着高级辅助驾驶系统 （ADAS） 和车内信息娱乐系统的普及，车辆俨然变成了车轮上的复杂电子系统，其中需要多电平、无噪声的 DC 电源轨。然而，典型的车辆电池在其工作环境中很难达到稳定状态，这就要求设计人员密切关注电源系统设计。

　　ADAS 系统的范围包括自适应巡航控制、防撞功能、GPS、备用摄像头、车道偏离提醒、稳定性控制以及连接能力，而信息娱乐系统包括显示屏和多媒体播放器。通过汽车的 12 V 电池（某些情况下甚至是 24 V 或 48 V）为这些功能调节 DC 电源，其难度非常大，原因包括：电池输出噪声、电压尖峰、负载突降瞬变、极端温度及循环、经由狭窄高温位置中的电子元器件、不得不承受振动和冲击等。

　　此外，DC/DC 转换器 IC 可用于调节电池输出以提供各种 ADAS 功能所需的多个 DC 电源轨，其必须在恶劣的电气和环境条件下工作。这类转换器还必须以高效率、低静态电流和最小 EMI 提供精密调节。

　　本文将说明工作环境和条件，并介绍为帮助缓解相关问题而开发的汽车标准。然后，本文将描述有助于满足汽车配电要求的电源稳压器和 DC/DC 转换器及其用法。

　　引擎盖下的问题

　　对于电子元器件（和机械部件）而言，汽车是一个颇具挑战性的恶劣环境，具体表现在四个方面：电气、热、冲击/振动和可用空间。下面予以简要说明：

　　电气：来自电池的未经调节的电源轨不是简单且稳定的 DC 电流源，大多数电池都是如此；相反，它会受到冷起动电压下降（图 1）、“负载突降”（当连接到交流发电机的负载突然断开时）引起的高压浪涌（图 2 和表 1）以及噪声和 EMI/RFI 的影响。

　　图 1：冷起动条件下的典型电池电压曲线与更良性应用中的电池输出曲线几乎没有相似之处。（图片来源：Texas Instruments）

　　图 2：典型负载突降脉冲的特点是快速上升、缓慢下降、时序可变。（图片来源：Texas Instruments）

　　表 1：12 V 和 24 V 电池系统的未抑制负载突降脉冲（此处由 ISO7637-2:2004 ［1］ -5 定义）的典型值。（图片来源：Texas Instruments）

　　因此，本地 DC/DC 稳压器必须处理这些实际情况，在宽输入电压 （VIN） 范围内工作，并且容许电池反极性连接。此外，这些稳压器的静态电流必须非常低，以便在汽车理应“停止运行”时最大限度地减少电池消耗。

　　原因是很多 ADAS（及其他）功能并没有与电池物理断开，而是使用“软”开/关，因此在“停止运行”时实际上处于静态。整体来说，如果汽车数周未使用，这些功能消耗的所谓“吸血鬼功率”可能会耗尽电池。

　　热：根据工作条件和探头位置，引擎盖下温度的范围可从零下（冬季停车时）跨度到 150°C 至 200°C 以上（图 3）。虽然汽车的其他区域（如驾驶室）不会变得这么热，但如果汽车停在阳光下，这些区域仍有可能经受相当高的温度。当车外温度在 25°C （77°F） 至 40°C （104°F） 之间时，在直射阳光下停放的汽车内部温度可能攀升到 50°C （122°F） 至 75°C （167°F） 之间。

　　图 3：Chevrolet Silverado 以 40 mph 的速度爬山时，在不同位置测得的车辆温度；许多部位超过 150°C。（图片来源：Pelican Parts）

　　冲击/振动：机械冲击和振动始终会存在；基本机械分析表明，越小越轻的元器件越不容易受到这些干扰的影响，缓冲和防震（如需要）也越简单。再者，此类元器件所需的电路板会更小，这也有相应的优势。

　　尺寸：小尺寸还有一个与冲击/振动无关的主要优势。由于汽车有外壳这样的固定物理“封装”，很难找到合适的地方来放置 ADAS 功能电路（很多情况下还有相关传感器）。虽然某些电路可以位于几乎任何空位，但许多 ADAS 传感器和前端信号调节电路需要位于特定位置，即便支持电子设备可以位于其他地方。

　　汽车标准定义挑战

　　汽车动力来源主要有三个：电力 （EV），混合动力 （HEV），当然还有内燃机。其尺寸、样式、能力和成本点也各不相同。业界已经为电子元器件、软件及子系统的风险和性能级别制定了标准。通过认证不同级别的基本集成电路 （IC），设计人员便知道其所获得的构件可用于“构建”具有明确性能的电路板、组件、子系统和完整的功能。

　　关于这种性能定义能力的主要标准是汽车安全完整性等级 （ASIL） 方案，它是一种由 ISO 26262（公路车辆功能安全标准）定义的多级风险分类方法。最高等级是 ASIL-D，代表最高程度的汽车危险，因此需要最高程度地确保满足安全要求（图 4）。按降序排列在最高等级 ASIL-D 之后的是 -C、-B 和 -A 等级，它们定义了中等程度的危险和所需的保证，最后是 ASIL QM，其针对没有汽车危险的应用，因此也就无需管理任何安全要求（例如无线电）

　　图 4：ASIL-D 至 ASIL-A 将汽车功能依据对车辆安全、运行、控制和其他因素的重要性进行分类，ASIL-D 为最严格。（图片来源：Mentor Graphics）

　　针对设计用于 ADAS 功能的元器件（包括 DC/DC 稳压器），其供应商会测试并证明元器件满足和超过特定等级的 ASIL 性能要求，包括但不限于温度、振动和故障模式方面的要求。

　　另一个相关标准是 AEC-Q100，其中包含由汽车电子委员会 （AEC） 制定的一套 IC 认证测试序列。它为新产品和升级产品的零件认证和质量体系设定了标准。AEC-Q100 还建立了温度等级，针对元器件有明确的等级划分，其中等级 0 的范围最宽（表 2）。

　　表 2：AEC-Q100 的温度等级确定了基本工作范围，并带有相应的后缀。（图片来源：Cypress Semiconductor Corp.）

　　满足 ADAS 要求的 DC/DC 稳压器

　　ADAS 功能的要求苛刻，IC（包括 DC/DC 稳压器）必须满足这种应用在电气、热和尺寸方面的需求。这些元器件力图满足与电气、热、冲击/振动和可用空间相关的多个（如果不是全部）汽车 ASIL 目标。

　　例如，Maxim Integrated 的 MAX16930 是一款 36 V DC/DC 稳压器，静态电流只有 20 微安 （μA）（图 5）。这款汽车级三路输出开关器件集成了两个同步降压控制器和一个异步升压“预升压”控制器，提供多达三个独立控制的电源轨：一个提供可调输出电压的预升压控制器；一个提供固定 5 V 输出或 1 V 至 10 V 可调输出的降压控制器；以及一个提供固定 3.3 V 输出或 1 V 至 10 V 可调输出的降压控制器。

　　图 5：MAX16930 多路输出降压稳压器的预升压特性使其能够在冷起动期间运行，此时电池电压降至较低的一位数值（黄色）。（图片来源：Maxim Integrated）

　　MAX16930 采用 3.5 V 至 36 V 的宽范围电源轨工作，而预升压可将工作电压降至 2 V（自举模式），满足冷起动运行的需求（见图 5）。降压控制器和预升压功能均可提供高达 10 A 的输出电流，并且可独立控制。用户可调的开关频率（200 kHz 到高达 2.2 MHz）以及可选的扩频操作，确保无 AM 频段干扰。

　　MAX16930 提供时钟设置选择，设计人员得以最大限度地减少与 IC 时钟引起的干扰以及多个系统时钟混频造成的拍频相关的问题。用户必须从三种频率功能模式中进行选择：

　　基本固定频率运行，使用用户定义的频率。

　　跳频模式，在负载较轻时禁用时钟，仅在需要时启用以维持输出电压调节。

　　与外部时钟同步。IC 可以在这些模式之间“即时”切换，但这需要更多的软件来实现 IC 管理。

　　该 IC 提供的另一个选项是调用扩频时钟以在标称频率值附近随机扰动时钟，使时钟源引起的单频率 EMI 最小；不需要的 EMI 能量分散在更宽的频谱上，但任何单一频率的峰值幅度更低。

　　用户还必须在系统设计阶段确定内部线性稳压器 （LDO） 的“值”，可通过连接外部电源轨将其旁路。

　　一方面，LDO 输出非常安静，可用于向要求电源轨噪声尽可能低的小型局部负载供电；另一方面，其效率不如 MAX16930 中的开关稳压器。

　　为了解决基底面问题，一种常见的技术是增加单个 IC 的不同输出的数量。Analog Devices 的 LT8603 是一款四路输出器件，集成了两个高输入电压降压开关稳压器、一个低输入电压降压稳压器和一个升压控制器，全部采用一个 6 × 6 mm 封装。

　　借助配置为提供 VIN 电源的升压控制器，即使升压输入电压低于调节的输出电压（例如在冷起动情况下），IC 也会产生三个稳压输出（图 6）。

　　图 6：LT8603 可配置为按规格运行，即使在冷起动条件下也能提供全部 DC 输出。（图片来源：Analog Devices）

　　该 IC 采用高达 42 V 的电源轨工作，开关频率由用户选择，范围是 250 kHz 至 2.2 MHz，以最大限度地降低 EMI。辐射 EMI（CISPR 25 辐射放射测试，5 级峰值限制）低于允许限值（短水平段）（图 7）。

　　图 7：在使用 14 V 电源且开关频率为 2 MHz 的情况下，LT8603 的辐射 EMI（CISPR 25 辐射放射测试，5 级峰值限制）表明其辐射低于允许限值（短水平段）。（图片来源：Analog Devices）

　　该 IC 的四个通道独立供电，设计人员须决定如何进行连接以实现系统和电路目标。例如，升压输出可配置为向降压转换器提供输入电压，即使升压输入电压低于调节的降压输出（冷起动情况下可能出现这种情况），也会产生三个精密调节的输出。但是，升压模式控制器也可以由降压控制器输出驱动，或配置为 SEPIC 转换器；在这种情况下，IC 提供多达四个精密调节的输出。

　　四个通道的开关频率范围是设计人员必须确定的另一个因素，这必须在选择振荡器频率之前完成，振荡器频率可以通过单个电阻在 250 kHz 至 2.2 MHz 的范围内设置。一般而言，频率较低时，开关损耗也较低，对时序约束（例如最小导通和关断时间）较不敏感，因而效率更高，输入电压工作范围更宽。

　　但是，较高开关频率允许使用较小元器件，并能让开关相关的噪声远离敏感频带，例如 AM 无线电。缺点是效率会降低。

　　为高性能 ADAS 传感器供电

　　有些 ADAS 功能具有高性能传感器前端，因而要求更低的噪声或更快的瞬态响应，这超出了大多数开关降压稳压器的能力。Maxim MAX15027 低压差线性稳压器（符合 AEC-100 1 级标准）专为此类情况而设计。其输入电压低至 1.425 V，可提供高达 1 A 的连续输出电流，最大压差仅为 225 毫伏 （mV）。其宽带宽支持快速瞬态响应，因而在 500 mA 负载阶跃下可将输出电压偏差限制在 15 mV，输出端仅使用一个 4.7 微法 （μF） 陶瓷电容器。

　　一些实现 LDO 最佳性能所需采取的预防措施

　　尽管 MAX15027 是 LDO，而且其使用的电源稳压器拓扑极为简单，但仍需采取一些预防措施。首先，1μF 陶瓷输入电容器和 4.7μF 陶瓷输出电容器必须是高质量、低 ESR（毫欧级）产品；如果 ESR 为几欧姆或更高，则 LDO 的线路和负载瞬态响应将受到影响，内部 LDO 环路稳定性会有问题，并且可能发生自激振荡。

　　其次，印刷电路板布局必须解决散热和发热问题，因为与开关稳压器相比，LDO 相对于其封装尺寸而言耗散率较高。为此，MAX15027 的 TDFN 封装下表面有一个裸露导热垫，以确保其通过一条低热阻路径连接到印刷电路板。该路径将大部分热量带离 IC，使印刷电路板成为高效散热器。裸露导热垫应连接到较大接地平面，以获得最佳热和电气性能。

　　然而，这种孤立考虑的方法是必要的，但还不够。使用热建模至关重要，可确保附近的 IC 和其他元器件不会也假设能使用印刷电路板的同一铜层来满足其自身的散热需求，使得总热负荷超出所选散热策略的能力。

　　这种策略通常开始于通过导热垫将热量导离 IC 进入印刷电路板层，然后大多是与远处的散热器或冷板进行对流。这种热源“拥挤”可能会使从 IC 下表面导热垫开始的基本散热方案无效。

　　总结

　　ADAS 和信息娱乐系统的使用，意味着必须解决其独特且常常具有挑战性的 DC 电源需求。这推动了 IC 和其他元器件的开发和生产，它们能在极端温度和 DC 输入轨电压范围内工作，同时静态电流消耗非常低。这些 IC 还必须很小，以降低其对振动和冲击的敏感性，而幸运的是，小尺寸还支持紧凑的 ADAS 功能电路设计。

　　现在，电源稳压器供应商提供各种针对 ADAS 优化的开关和 LDO DC/DC 器件，这些器件符合严格的行业标准，简化了设计导入挑战和 BOM 决策。