多数汽车的电源架构在设计时都要遵循最基本的原则,但不是每个设计师都对这些原则有很透彻的了解。
本文将对汽车电源设计应遵循的基本原则进行一一的讲解,让设计师的基本功更加扎实。
以下是汽车电源架构在设计时需要遵循的六项基本原则。
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。
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。
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ECU IQ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。