【導讀】 如今，隨著人們對汽車的便利性、安全性、舒適性以及環(huán)保節(jié)能的要求越來越高，汽車已由最初的以機械部件為主演變至機電一體化，數字元件的增多導致電源電壓下降以及元件內電流上升，加上政府法規(guī)對二氧化碳排放的要求日趨嚴苛，以及消費者對燃油經濟性的要求，工程師需要從電源管理模塊的設計方面考慮如何降低功耗，減小靜態(tài)電流，提升系統能效并符合各種環(huán)境法規(guī)及安全標準。
電源能效
盡量提升電源能效一直是設計的一個核心目標。從熱力學角度來講，現實世界的能量轉移并不完美，由于散熱和其他系統損耗等因素，輸入功率永遠不可能等于輸出功率。這由電源能效來衡量，也就是輸出功率除以輸入功率的比值。
我們假定線性穩(wěn)壓器和開關電源都有2.5 W的額定功率，以及5 V輸出電壓和0.5 A輸出電流，那么線性穩(wěn)壓器需要6 W的輸入功率（損失的3.5 W歸咎于穩(wěn)壓器散熱），能效為41%，而開關式穩(wěn)壓器僅需2.8 W的輸入功率，能效高達90%。
因此，開關方案提供比線性方案更高的能效。對設計師來說，了解從線性方案邁向開關方案的設計考量及其對設計的影響是很有必要的。
開關電源設計考量
根據開關電源的工作原理，通過導通和關斷的開關狀態(tài)對輸入電壓進行增加/減小/逆變的脈沖調制，這是優(yōu)于線性方案只能減小輸入電平的又一優(yōu)勢。然而，開關方案也有很多弊端，由于其復雜的反饋回路，外部元件較線性方案多且需要更多的PCB面積，再加上開關的性質導致其除噪性能差。
為減輕開關電源弊端，系統設計師需作以下考量：
（一）電磁干擾
減少回路面積，優(yōu)化PCB布局，從而減弱電路間的干擾；
避免由穩(wěn)壓器和系統環(huán)境產生的敏感頻段；
采用擴頻調制技術、決定光譜含量和去耦方案降低排放峰值。
（二）外部元件數量
集成的電源開關可減小布線尺寸，功耗比板外電源開關更低，且更易于設計。
（三）PCB面積
減小電感和電容的尺寸，所占PCB面積得以減小，且開關頻率增加，使能效得以提升，同時減弱PCB電磁輻射和電磁干擾。但需注意盡量使導通和開關損耗最小化，降低噪聲。
（四）反饋回路設計
為匹配輸出阻抗的后穩(wěn)壓器選擇合適的負輸入電阻以避免振蕩，達到穩(wěn)壓輸出的目的；
有效使用仿真工具以了解頻域中的頻率補償；頻率補償可通過選擇單極響應控制方案來實現。
（五）瞬態(tài)電流
將線性穩(wěn)壓器和開關電源并聯，可減小瞬態(tài)電流，稱為混合開關電源；且可根據線路負載情況，以恒定的開和關條件進行脈沖頻率調制。
汽車系統電源拓撲結構演變
工程師須視具體的應用為汽車系統選擇合適的電源管理設計方案。
圖一：汽車系統電源拓撲結構演變概覽
混合線性/開關電源(SMPS)方案典型用于汽車ADAS系統和啟停系統
隨著車輛主動安全系統的重要性的與日俱增，先進駕駛輔助系統(ADAS)逐漸從高檔車應用擴展至中低檔車，它通過協助駕駛員控制車輛的復雜過程以提供更安全便利的駕駛體驗如自適應巡航控制、盲點監(jiān)控、車道偏離警報、夜視、車道保持協助、以及具自動轉向和制動措施的碰撞警報系統。下一代ADAS系統將可令駕駛體驗進一步自動化，如：用智能手機app協助自動停車；搭載V2X通訊系統實現車輛與車輛或車輛與外界環(huán)境的即時信息交換，從而大大緩解交通堵塞，減少交通事故的發(fā)生；通過介質雷達傳感器平臺識別事故隱患，作出靈敏反應并自主采取行動，提供多重安全功能的同時降低成本。
圖二：ADAS系統
這就需要配以系統基礎芯片(SBC), 通過通信技術如以太網成功連接車輛中的各部分如攝像頭、GPS、雷達和旋轉編碼器來實現。由于ADAS系統高集成度的復雜性，系統設計師需要為其選擇高精度和可定制的電源和功率模塊，為電源部分提供專用功能如看門狗功能、電源監(jiān)控冗余功能以及電壓監(jiān)控功能，以保證符合ISO26262標準的汽車安全完整性(ASLI) B等級，實現整車功能性安全和更安全的駕駛體驗。
圖三：以太網SBC技術實現ADAS的集成要求
隨著燃油經濟性標準和規(guī)范的二氧化碳排放協議的推行，啟停系統的市場需求日益增加。所謂啟停系統，即在汽車行駛過程中臨時停車的時候自動熄火，需要繼續(xù)前進時系統自動重啟內燃機，從而減少發(fā)動機空閑的時間，以減少燃油消耗和二氧化碳排放。
內燃機無法自行啟動，需要外力引發(fā)燃燒循環(huán)。這是啟動電機的用途所在，當插入點火開關鑰匙并將開關扭至“開”，啟動電機啟動。然而，啟動電機轉動曲柄發(fā)動引擎需要的電流量非常大，導致在啟動階段汽車電池電壓顯著下降。為避免啟動階段的壓降，混合線性/SMPS方案被進一步改進，于降壓穩(wěn)壓器和電池供電的LDO之間添加啟停預升壓器（如圖一右上角所示），它基于點火開關打開和關閉，以滿足啟停系統的低壓啟動。預升壓器通常采用大功率集中式多相升壓和分布式小功率單相升壓等方法，用以避免電壓驟降導致的異常，并符合12 V系統的 ISO 16750標準。
開關電源方案典型用于駕駛信息系統
駕駛信息系統包括車輛內外的信息系統、通信系統以及娛樂系統，是汽車發(fā)展的主要部分。油耗、車速、導航、娛樂及ADAS系統等信息都可通過儀表盤和中控面板向駕駛員顯示。Nvidia、Intel等廠商不斷提升系統集成能力并開發(fā)智能解決方案，通過圖形處理器集成和連接各種不同車輛的功能。由于系統內部需要進行大量的計算，所以駕駛信息系統屬于高功率應用，可采用開關電源方案。單相/多相SMPS作為用于駕駛信息系統的關鍵技術，可根據實時使用狀況進行動態(tài)電壓調節(jié)，減少不必要的功耗。安森美半導體的NCV8901系列是集成降壓SMPS的轉換器，輸出電流為1.2 A，工作頻率為2 MHz，輸入電壓范圍4.5 V 至36 V，可耐受40 V拋負載電壓，芯片工作結溫為-40℃至150℃，體積小，輸出精度高，可在駕駛信息系統中使用。
汽車電源朝48 V 系統進發(fā)
因應不斷提升的節(jié)能減排的需求/規(guī)范，輕型48 V系統銷量近十年來一直在增長。48 V結構由12 V和48 V網絡組成，兩個網絡之間通過雙向輸出的SMPS相連，結合傳統的12 V或14 V網絡，像大多數傳統車輛一樣采用鉛酸電池。一個48 V鋰離子電池配備一個獨立的48 V網絡。12 V網絡處理傳統的負載：照明、點火、娛樂、音頻系統以及電子模塊。48 V系統支持主動底盤系統、空調壓縮機和再生制動。48 V結構的關鍵優(yōu)點在于它結合了雙壓設置及眾所周知的啟停技術的優(yōu)點，更有效地捕捉車輛制動能量，為不斷增加的電氣負載提供更高功率，同時提升可能高達15%的燃油能效；此外，它還減小傳送到負載的電流、減少線束重量從而提升電源能效。
結語
汽車行業(yè)相關的電源管理模塊的復雜性不斷增長，線性穩(wěn)壓器已不能滿足高能效的需求，演變出將線性穩(wěn)壓器和開關電源并聯的混合開關電源，典型用于ADAS系統和啟停系統，以及開關電源典型用于駕駛信息系統，乃至仍受討論但可進一步提升燃油能效的48 V 架構/系統，實現無論在小功率還是大功率應用中都盡可能地提升能效、降低能耗，符合政府的環(huán)境法規(guī)和安全標準，滿足汽車消費者對燃油經濟性的要求。
