中心議題：

• 介紹汽車電源設計的基本原則
• 對比通用電源拓撲架構的幾種方案

解決方案：

• Maxim的汽車電源解決方案

引言

電dian源yuan是shi汽qi車che的de一yi個ge重zhong要yao的de環huan節jie，電dian源yuan的de好hao壞huai直zhi接jie影ying響xiang汽qi車che的de性xing能neng，對dui電dian源yuan的de要yao求qiu很hen，因yin具ju有you壽shou命ming長chang

，性xing能neng好hao，成cheng本ben低di等deng特te點dian。但dan這zhe些xie方fang麵mian存cun在zai矛mao盾dun。需xu要yao用yong特te殊shu的de方fang法fa也ye解jie決jue這zhe些xie問wen題ti。

汽車電源設計的基本原則

汽車電源又叫電源逆變器，是一種能夠將DC12V直流電轉換為和市電相同的AC220V交流電
，供一般電器使用，是一種方便的電源轉換器，由於常用於汽車而得名。汽車電源一般使用汽車電瓶或者點煙器供電
，先將這樣的低壓直流電轉換為265V左右的直流電

；然後是真正的轉變階段，它將高壓的直流電轉變為220V、50Hz的交流電。有了汽車電源，您就可以把家裏所有的小家電搬到車上使用
，如手機
、筆記本電腦、數碼相機、車用冰箱、攝像機
、DVD等，從而使人在車裏有一種置身家中的感覺。自它麵世以後，那些在車裏使用電器的諸多局限將不複存在，可以使人真正享受“與家同行，與世界相通”的感覺。

大多數汽車電源架構需要遵循六項基本原則：

1 輸入電壓範圍VIN：12V電池電壓的瞬間波動範圍決定了電源轉換ICdeshurudianyafanwei。qichedianyuanchongfenkaolvdaowaibudeshiyonghuanjing



，dangfashengguozaihuoduanluxianxiangshijiangzidongbaohuguanji。qichedianyuandeshuchudianyatongguobenshendefankuiquerenkeyishidianyawending，kongzaiyuedingdedianyazhibianhuaxiaoyu10V。需xu要yao說shuo明ming的de是shi，汽qi車che電dian源yuan的de目mu的de是shi輸shu出chu和he市shi電dian相xiang同tong的de電dian壓ya，滿man足zu用yong電dian器qi的de需xu要yao
，但dan實shi際ji上shang汽qi車che電dian源yuan輸shu出chu的de是shi模mo擬ni正zheng弦xian波bo
，而er市shi電dian是shi真zhen正zheng的de正zheng弦xian波bo
，兩liang者zhe略lve有you不bu同tong，一yi般ban不bu影ying響xiang使shi用yong

，這zhe是shi汽qi車che電dian源yuan的de工gong作zuo原yuan理li決jue定ding的de。

ISO7637-1行業標準定義了汽車電池的電壓波動範圍。圖1和圖2所示波形即為ISO7637標準給出的波形

，圖中顯示了高壓汽車電源轉換器需要滿足的臨界條件。

 圖1  冷啟動電壓波形

圖2  拋負載電壓波形
 

2 散熱考慮：散熱需要根據DC-DC轉換器的最低效率進行設計。

精心設計的開關電源轉換器的效率通常高於線性穩壓器，較高的轉換效率可以省去電源設計中的大尺寸散熱片和大的封裝外形。20W以上的大功率設計對於熱管理要求比較嚴格，需要采用同步整流架構。高效率的外部MOSFET控製器有助於改善電源的散熱能力。

3 靜態工作電流（IQ）及關斷電流（ISD）：隨著汽車中電子控製單元（ECU）數量的快速增長，從汽車電池消耗的總電流也不斷增長。即使當發動機工作並且電池電量耗盡時，有些ECU單元仍然保持工作。為了保證靜態工作電流IQ在可控範圍內，大多數OEM廠商開始對每個ECU的IQ加以限製。

4 成本控製：OEM廠商需要折中考慮模塊成本、開發/認證成本、產品上市時間以及規格指標。在成本允許的前提下保證最優設計，電源部分的材料清單在成本上可能占據非常重要的地位。模塊成本與PCB類型、散熱片
、器件布局及其設計因素有關。例如，用FR-4 4層板代替CM-3單層板對於PCB的散熱會產生很大差異。

5 位置/布局：在電源設計中PCB和元件布局會限製電源的整體性能。結構設計、電路板布局、噪聲靈敏度、多duo層ceng板ban的de互hu連lian問wen題ti以yi及ji其qi它ta布bu板ban限xian製zhi都dou會hui製zhi約yue高gao芯xin片pian集ji成cheng電dian源yuan的de設she計ji。而er利li用yong負fu載zai點dian電dian源yuan產chan生sheng所suo有you必bi要yao的de電dian源yuan也ye會hui導dao致zhi高gao成cheng本ben
，將jiang眾zhong多duo元yuan件jian集ji於yu單dan一yi芯xin片pian並bing不bu理li想xiang。電dian源yuan設she計ji人ren員yuan需xu要yao根gen據ju具ju體ti的de項xiang目mu需xu求qiu平ping衡heng整zheng體ti的de係xi統tong性xing能neng、機械限製和成本。[page]

6 電磁輻射：一(yi)個(ge)工(gong)作(zuo)電(dian)路(lu)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)另(ling)一(yi)個(ge)電(dian)路(lu)無(wu)法(fa)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)。例(li)如(ru)
，無(wu)線(xian)電(dian)頻(pin)道(dao)的(de)幹(gan)擾(rao)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)安(an)全(quan)氣(qi)囊(nang)的(de)誤(wu)動(dong)作(zuo)
，為(wei)了(le)避(bi)免(mian)這(zhe)些(xie)負(fu)麵(mian)影(ying)響(xiang)，OEM廠商針對ECU單元製定了最大電磁輻射限製。

為保持電磁輻射（EMI）在受控範圍內，DC-DC轉換器的類型、拓撲結構、外圍元件選擇、電路板布局及屏蔽都非常重要。經過多年的積累，電源IC設計者研究出了各種限製EMI的技術。外部時鍾同步、高於AM調製頻段的工作頻率、內置MOSFET
、軟開關技術
、擴頻技術等都是近年推出的EMI抑製方案。

應用與功率需求

大(da)多(duo)數(shu)係(xi)統(tong)電(dian)源(yuan)的(de)基(ji)本(ben)架(jia)構(gou)選(xuan)擇(ze)應(ying)從(cong)電(dian)源(yuan)要(yao)求(qiu)以(yi)及(ji)汽(qi)車(che)廠(chang)商(shang)定(ding)義(yi)的(de)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)瞬(shun)變(bian)波(bo)形(xing)入(ru)手(shou)。對(dui)於(yu)電(dian)流(liu)的(de)要(yao)求(qiu)應(ying)該(gai)反(fan)映(ying)到(dao)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)散(san)熱(re)設(she)計(ji)。表(biao)1歸納了大多數設計的電路及電壓要求。

通用電源的拓撲架構

降壓變換器是構成大多數開關變換器架構基礎的基本拓撲。它是最通用的拓撲
，在分布電源係統中會用到這種拓撲
，因為必須變換高dc電壓（48V）到較低的電壓，而且功耗小。開關是一個功率晶體管（通常是MOSFET）

，其柵極由執行脈寬調製（PWM）的IC驅動它控製占空比（晶體管的開關時間），從而控製輸出電壓大小。

zheliliechulesizhongchangyongdedianyuanjiagou
，zongjielezuijinsannianqichelingyudedianxingshejijiagou。dangran，yonghukeyitongguobutongfangshishixianjutideshejiyaoqiu，duoshufangankeguinaweizhesizhongjiegouzhongdeyizhong。

方案 1

該架構為優化DC-DC轉換器的效率

、布局、PCB散熱及噪聲指標提供了一種靈活設計。方案1的主要優勢是：

增加核設計的靈活性。即使不是最低成本/最高效率的解決方案，增加一個獨立的轉換器有助於重複利用原有設計。
有助於合理利用開關電源和線性穩壓器。例如

，相對於直接從汽車電池降壓到1.8V，從3.3V電壓產生1.8V300mA的電源效率更高
、成本也更低。
分散PCB的熱量，這為選擇轉換器的位置及散熱提供了靈活性。
允許使用高性能、高性價比的低電壓模擬IC，與高壓IC相比，這種方案提供了更寬的選擇範圍。
方案1的缺點是：較大的電路板麵積
、成本相對較高
、對於有多路電源需求的設計來說過於複雜。

方案 2

該方案是高集成度與設計靈活性的折衷，與方案1相比
，在成本、外形尺寸和複雜度方麵具有一定的優勢。特別適合2路降壓輸出並需要獨立控製的方案。

圖3  電源結構
 

采用外置MOSFET的兩路輸出控製器可以提供與方案相同的PCB布板靈活性
，便於散熱。內置MOSFET的轉換器，設計人員應注意不要在PCB的同一位置耗散過多的熱量。

方案 3

這一架構把多路高壓轉換問題轉化成一路高壓轉換和一個高度集成的低壓轉換IC，相對於多輸出高壓轉換IC
，高集成度低壓轉換IC成本較低
，且容易從市場上得到。如果方案3中的低壓PMIC有兩路以上輸出，那麼方案3將存在與方案4相同的缺陷。

方案3的主要劣勢是多路電壓集中在同一芯片
，布板時需要慎重考慮PCB散熱問題。

圖4  汽車電源管理IC[page]
 

方案 4

最新推出的高集成度PMIC可(ke)以(yi)在(zai)單(dan)芯(xin)片(pian)上(shang)集(ji)成(cheng)所(suo)有(you)必(bi)要(yao)的(de)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)和(he)管(guan)理(li)功(gong)能(neng)，突(tu)破(po)了(le)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)中(zhong)的(de)諸(zhu)多(duo)限(xian)製(zhi)。但(dan)是(shi)，高(gao)集(ji)成(cheng)度(du)也(ye)存(cun)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)負(fu)麵(mian)影(ying)響(xiang)。在(zai)高(gao)集(ji)成(cheng)度(du)PMIC中，集成度與驅動能力總是相互矛盾。

把低壓轉換器級聯到高壓轉換器有助於降低成本，但這種方式受限於穩壓器的開/關控製。

Maxim的汽車電源解決方案

Maxim的汽車電源IC克服了許多電源管理問題
，能夠提供獨特的高性能解決方案。電源產品包括過壓保護、微處理器監控、開關轉換器和線性穩壓器等高度集成的多功能PMIC （如圖4所示）。電源IC符合汽車級質量認證和生產要求，例如：AECQ100認證
、DFMEA、不同的溫度等級、特殊的封裝要求。