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如何为汽车电子系统设计成本低廉的电源 |
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作者：美国国家半导体公司 Olivier Wilms |
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新款的汽车采用越来越多精密的电子零件。这种发展趋势使得芯片厂商在开发新芯片时，将会面对很多新的挑战：汽车电子系统的工作环境极为恶劣，例如汽车的使用期较长，工作的温度范围很宽；还有电磁干扰和电磁兼容性，甚至机械性能等问题需要解决。在芯片产品的整体成本承受很大的压力条件下，技术上还需要像军品那样必须符合严格的要求。出厂的汽车必须安全可靠，能长时间保持最佳的性能状态，才可满足用户的要求。此外，汽车的设计周期必须缩短，以确保新车可以尽快推出市场。
设计流程
美国国家半导体公司很早便已推出一套用途非常广泛的WEBENCH网上设计工具，以协助系统设计工程师设计电源。基于该工具，系统设计工程师即使对电源的设计认识不深，也可将最高及最低输入电压、输出电压及电流、温度范围等设计参数输入到WEBENCH，设计软件将根据这些参数为他们挑选一些切合其设计需要的电源管理芯片。
系统设计工程师接着可以从这些芯片之中挑选最切合他们需要的一款，其中包括最新推出内含电源开关及控制器的Simple Switchers系列开关稳压器芯片。芯片选定之后，WEBENCH的设计软件会为工程师提供一个附有电路图的系统解决方案，以便工程师可以利用电路图进行仿真测试，以测试系统的电子特性以至其散热能力。
WEBENCH网上设计工具非常容易使用，系统设计工程师只要利用这套设计工具便可迅速完成电源的设计。这个设计网站的数据库储存了数百款芯片的资料，所有设计工具都可支持多种不同的架构。设计完成之后，工程师可将整个设计与同事或供应商参考，他们甚至可以在网上订购原型电路板，供应商保证有关产品几日内便可送到客户手中，所需的分立元件也会跟模板一并寄出，工程师只需将分立元件焊在电路板上便可，这样可确保产品更快推出市场。
使用这套设计工具无需缴付非常昂贵的仿真测试、授权费。由确定技术参数至电路布局的构思，整个设计过程都可获得支持。工程师可以挑选合适的芯片进行电子及热性能方面的仿真测试。
系统设计工程师只要采用这套设计工具，便可节省设计及调试时间，也为公司节省更多开发成本。此外，许多公司虽然擅长设计数字系统，但对电源的设计反而认识不深。以往他们可能需要聘请外面的顾问公司才可完成这方面的工作，但现在他们只要采用WEBENCH设计工具，便无需寻求外援，使这方面的开支也可节省下来。
新的设计挑战
(1) 静态电流
汽车工业的发展一日千里，新的挑战不断涌现。例如，汽车电子系统所要求的静态电流标准也越趋严格，越来越多汽车制造商要求芯片供应商为他们提供静态电流低于100uA的ECU芯片，这是因为静态电流如果不够低，汽车在连续停泊数星期之后，车内的电池便会因多日不用而无法重新启动。解决这个问题的其中一个方法是缩短电池与ECU芯片之间的供电线路。但启动这个开关稳压器仍然会耗用一定的电量，因为开关稳压器采用金属氧化半导体(MOS)技术制造，而开关启动时会产生较小电阻。由于要输出大量电流，因此需要装设许多开关，令耗电量也相应大增。这个方案极少采用的原因亦在于此。
(2) 负载突降
第二个要面对的问题是负载突降(Load-dump，汽车引擎启动瞬间会出现负载突降，将从电池供电转到发电机供电，出现持续时间为100mS到500mS的40V到60V的电压转换)，解决的方法则完全不同。以往国家半导体的客户都要求芯片必须设有过压保护功能。但目前越来越多汽车电子系统，例如驾驶盘动力操控系统早在点燃引擎时便已开始工作，因此芯片必须能够在负载突降时正常运作。正因如此，国家半导体目前正为低压降稳压器系列的其中几个型号重新加设过压保护功能。LM9070、LM9071及LM9072 芯片便是具有这个功能的几款低压降稳压器。对于输入电压范围更宽的版本，将在这些型号后面添加 HV 两个字母作为识别。
(3) 42伏供电总线
预计在未来几年内，新推出的汽车都会采用42伏的供电总线。采用42伏供电总线的好处是可以降低汽车的耗电量及电缆的重量。但供电电压若提高至42伏，电源的转换效率便会下降，结果是得不偿失。
a. 效率上的考虑
我们若利用3.3伏的电池为电子系统提供所需的100mA供电，系统的实际功耗只有330mW。低压降稳压器芯片若利用12伏电池供电，那么即使不将静态电流计算在内，系统的整体功耗也不会少于12V*100mA=1.2W。以采用42伏电池的系统来说，系统功耗便等于42V*100mA=4.2W。换言之，低压降稳压器若利用42伏的电池为电子系统提供稳压供电，其效率比利用传统的12伏电池低3倍以上。低压降稳压器的效率与输出电压/输入电压(Vout/Vin)成正比，其效率(=(Vout*Iout)/(Vin*(Iout+Iq))。但降压直流/直流转换器的转换效率会更高。LM2675芯片若以12伏的输入电压工作，效率可高达90%，若以40伏的输入电压工作则可达82%。LM5007芯片的转换效率可高达93%。
图1 LM2675 降压直流/直流转换器芯片的效率
b. 功耗方面的考虑低压降稳压器芯片的效率很低，较易造成能源的浪费，而且所耗散的能量会积聚在一起，令周围环境温度上升，以致芯片的结温也会随着上升。我们可以利用以下的公式计算出温度的大约上升幅度：
P浪费掉的功率=(Tj﹣Ta)／θ(j,a)=(Vin﹣Vout)×Iout
c. 可满足未来需要的芯片设计
审慎的系统设计工程师应该放眼将来，力求能满足未来一代的需要。他们应该从现在开始便挑选可以支持42伏电池的稳压器，以免几年后需要由零开始重新设计电源系统。LM2936HV低压降稳压器芯片与 LM295X开关稳压器芯片是专为42伏供电总线而设计的，这两个系列稳压器芯片以及相关的器件都在www.national.com/appinfo/automotive/42V.html这个网页上有详细的介绍。
气囊的电源供应系统
即使是小型的汽车目前都设有6个气囊，而且所采用的安全标准要求极高。负责为气囊充气的是一款称为爆管驱动器(squib driver)的特别芯片，该芯片必须能够在撞车的紧急关头立即启动。按照图2所示，气囊系统由多个部分组成。
图2 气囊系统电路图
爆管驱动器设于车厢之内，而电池则设于车头盖之下。撞车时，爆管驱动器与电池之间的线路连接可能会因为撞击而断开，因此安全电容器一般会设于爆管驱动器的旁边，以便驱动器的附近有足够的储电可以提供动力，为气囊充气。
以下简单介绍气囊系统的充气过程。气囊系统设有升压转换器，一般来说，这些升压转换器都采用 sepic拓扑(sepic拓扑要求电路中采用两个电感) 或回扫拓扑结构(回扫拓扑中需要采用一个变压器)。进行充气之前，气囊系统的升压转换器会先将电池电压(Vbat)提高(这个电池电压在负载突降时可高达 40伏)，直至达到安全电压(Vsafe)要求的电平，这样可确保安全电容器储存大量电能(见图3)。之后才将这个较高的安全电压调低至几伏，这个较低的电压称为远程电压(Vremote)。必须严格按照这个充气准备程序，以确保其后几级的低压降稳压器出现较少压降。压降越少，功耗也就越低，效率也就越高。
图3 气囊系统的电源分配结构-系统电路图
由于Vremote的数值较低，其后几级的低压降稳压器即使并不属于汽车级别的产品，其输入电压范围也可满足有关的要求。LP2985系列芯片便属于这类的稳压器，其输入电压高达16伏，输出电流为150mA，结温可高达125℃，适用于大部分的应用场合。
LM9076稳压器芯片则适用于更高温的工作环境，其接面温度可高达150℃。这款稳压器可利用8伏的输入电压输出150mA的电流及5伏的电压。在额定的工作温度及负载范围内，这款稳压器芯片可以保持极高的输出电压准确度(高达2%)。由于这个结构采用了安全电容器，因此工作时更为安全可靠。从成本的角度看，采用远程低压降稳压器无需加设任何散热器，因此有助节省成本。由于Vsafe(Vbat(最高值)，而一级转换器可用作升压转换器，因此无需采用布局较为复杂的sepic或回扫式的转换器。降压转换器适用于降压稳压器，后者成本也较低。由于低压降稳压器无需利用高压电源，因此有多种不同的 CMOS或低电压双极芯片可供选择。
有多个不同电压输出可供选择
我们若采用开关稳压器作为输入级，再以多个低压降稳压器提供输出，便可降低电源系统的整体成本。高功率的电源系统甚至必须采用这样的设计。图4是其中一个示例。
图4 可提供多个输出的配置
确定最理想的局部电压(Vlocal)时，必须详细考量以下各参数：
Vlocal必须低至可以确保低压降稳压器不会耗散太多功率，Iout(最高值)=(Tj﹣Ta)／(θ(j,a)×(Vin﹣Vout))。
只有在整体电压超过指定压降的情况下低压降稳压器才会将电压稳定下来，因此Vlocal必须比Vx+VDox高。
本文总结
电源若采用恰当的设计，将有助降低系统开发的总体成本。若应用环境极为恶劣，例如在电池电压、输出电流以及温度等都处于极高水平的情况下，我们必须考虑采用多转换级的结构。目前市场上有很多专为汽车电源供应系统而设的稳压器芯片可供选择。采用WEBENCH等免费的网上设计工具也有助降低设计成本以及缩短产品的上市时间。汽车厂商都希望缩短新车的设计周期，因此稳压器芯片将会更受汽车厂商的欢迎。即使是同一辆汽车，不同的子系统在实际应用时也各有不同的局限，因此设计这些电子系统的工程师必须对这方面有相当的认识。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(9/19/2005) |
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