- 設計汽車電子系統設計成本低廉的電源
- 在電壓極高情況下可采用多轉換級的結構
- 采用WEBENCH等免費的網上設計工具
汽車電子設計在面臨性能、可靠性、上市時間等多重設計要求的條件下，還必須提供更具競爭力的成本優勢。本文將針對這些設計要求討論如何為汽車電子系統設計成本低廉的電源，以及系統設計(及重新設計)、可靠性和芯片成本等問題，并探討有關問題的解決辦法。
新款的汽車采用越來越多精密的電子零件。這種發展趨勢使得芯片廠商在開發新芯片時，將會面對很多新的挑戰：汽車電子系統的工作環境極為惡劣，例如汽車的使用期較長，工作的溫度范圍很寬；還有電磁干擾和電磁兼容性，甚至機械性能等問題需要解決。在芯片產品的整體成本承受很大的壓力條件下，技術上還需要像軍品那樣必須符合嚴格的要求。出廠的汽車必須安全可靠，能長時間保持最佳的性能狀態，才可滿足用戶的要求。此外，汽車的設計周期必須縮短，以確保新車可以盡快推出市場。
設計流程
美國國家半導體公司很早便已推出一套用途非常廣泛的WEBENCH網上設計工具，以協助系統設計工程師設計電源?；谠摴ぞ撸到y設計工程師即使對電源的設計認識不深，也可將最高及最低輸入電壓、輸出電壓及電流、溫度范圍等設計參數輸入到WEBENCH，設計軟件將根據這些參數為他們挑選一些切合其設計需要的電源管理芯片。
圖1：氣囊系統電路圖。
WEBENCH網上設計工具非常容易使用，系統設計工程師只要利用這套設計工具便可迅速完成電源的設計。這個設計網站的數據庫儲存了數百款芯片的資料，所有設計工具都可支持多種不同的架構。設計完成之后，工程師可將整個設計與同事或供應商參考，他們甚至可以在網上訂購原型電路板，供應商保證有關產品幾日內便可送到客戶手中，所需的分立元件也會跟模板一并寄出，工程師只需將分立元件焊在電路板上便可，這樣可確保產品更快推出市場。
使用這套設計工具無需繳付非常昂貴的仿真測試、授權費。由確定技術參數至電路布局的構思，整個設計過程都可獲得支持。工程師可以挑選合適的芯片進行電子及熱性能方面的仿真測試。
系統設計工程師只要采用這套設計工具，便可節省設計及調試時間，也為公司節省更多開發成本。此外，許多公司雖然擅長設計數字系統，但對電源的設計反而認識不深。以往他們可能需要聘請外面的顧問公司才可完成這方面的工作，但現在他們只要采用WEBENCH設計工具，便無需尋求外援，使這方面的開支也可節省下來。
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新的設計挑戰
1. 靜態電流
汽車工業的發展一日千里，新的挑戰不斷涌現。例如，汽車電子系統所要求的靜態電流標準也越趨嚴格，越來越多汽車制造商要求芯片供應商為他們提供靜態電流低于100uA的ECU芯片，這是因為靜態電流如果不夠低，汽車在連續停泊數星期之后，車內的電池便會因多日不用而無法重新啟動。解決這個問題的其中一個方法是縮短電池與ECU芯片之間的供電線路。但啟動這個開關穩壓器仍然會耗用一定的電量，因為開關穩壓器采用金屬氧化半導體(MOS)技術制造，而開關啟動時會產生較小電阻。由于要輸出大量電流，因此需要裝設許多開關，令耗電量也相應大增。這個方案極少采用的原因亦在于此。
2. 負載突降
第二個要面對的問題是負載突降(Load-dump，汽車引擎啟動瞬間會出現負載突降，將從電池供電轉到發電機供電，出現持續時間為100mS到500mS的40V到60V的電壓轉換)，解決的方法則完全不同。以往國家半導體的客戶都要求芯片必須設有過壓保護功能。但目前越來越多汽車電子系統，例如駕駛盤動力操控系統早在點燃引擎時便已開始工作，因此芯片必須能夠在負載突降時正常運作。正因如此，國家半導體目前正為低壓降穩壓器系列的其中幾個型號重新加設過壓保護功能。LM9070、LM9071及LM9072 芯片便是具有這個功能的幾款低壓降穩壓器。對于輸入電壓范圍更寬的版本，將在這些型號后面添加 HV 兩個字母作為識別。
3. 42伏供電總線
圖2：氣囊系統的電源分配結構-系統電路圖。
預計在未來幾年內，新推出的汽車都會采用42伏的供電總線。采用42伏供電總線的好處是可以降低汽車的耗電量及電纜的重量。但供電電壓若提高至42伏，電源的轉換效率便會下降，結果是得不償失。
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a. 效率上的考慮
我們若利用3.3伏的電池為電子系統提供所需的100mA供電，系統的實際功耗只有330mW。低壓降穩壓器芯片若利用12伏電池供電，那么即使不將靜態電流計算在內，系統的整體功耗也不會少于12V*100mA=1.2W。以采用42伏電池的系統來說，系統功耗便等于42V*100mA=4.2W。換言之，低壓降穩壓器若利用42伏的電池為電子系統提供穩壓供電，其效率比利用傳統的12伏電池低3倍以上。低壓降穩壓器的效率與輸出電壓/輸入電壓(Vout/Vin)成正比，其效率(=(Vout*Iout)/(Vin*(Iout+Iq))。但降壓直流/直流轉換器的轉換效率會更高。LM2675芯片若以12伏的輸入電壓工作，效率可高達90%，若以40伏的輸入電壓工作則可達82%。LM5007芯片的轉換效率可高達93%。
b. 功耗方面的考慮
低壓降穩壓器芯片的效率很低，較易造成能源的浪費，而且所耗散的能量會積聚在一起，令周圍環境溫度上升，以致芯片的結溫也會隨著上升。我們可以利用以下的公式計算出溫度的大約上升幅度：
P(浪費掉的功率)=(Tj-Ta)/((j,a)=(Vin-Vout)*Iout
c. 可滿足未來需要的芯片設計
審慎的系統設計工程師應該放眼將來，力求能滿足未來一代的需要。他們應該從現在開始便挑選可以支持42伏電池的穩壓器，以免幾年后需要由零開始重新設計電源系統。LM2936HV低壓降穩壓器芯片與 LM295X開關穩壓器芯片是專為42伏供電總線而設計的，這兩個系列穩壓器芯片以及相關的器件都在www.national.com/appinfo/automotive/42V.html這個網頁上有詳細的介紹。
氣囊的電源供應系統
即使是小型的汽車目前都設有6個氣囊，而且所采用的安全標準要求極高。負責為氣囊充氣的是一款稱為爆管驅動器(squib driver)的特別芯片，該芯片必須能夠在撞車的緊急關頭立即啟動。按照圖1所示，氣囊系統由多個部分組成。
爆管驅動器設于車廂之內，而電池則設于車頭蓋之下。撞車時，爆管驅動器與電池之間的線路連接可能會因為撞擊而斷開，因此安全電容器一般會設于爆管驅動器的旁邊，以便驅動器的附近有足夠的儲電可以提供動力，為氣囊充氣。
以下簡單介紹氣囊系統的充氣過程。氣囊系統設有升壓轉換器，一般來說，這些升壓轉換器都采用 sepic拓撲(sepic拓撲要求電路中采用兩個電感) 或回掃拓撲結構(回掃拓撲中需要采用一個變壓器)。進行充氣之前，氣囊系統的升壓轉換器會先將電池電壓(Vbat)提高(這個電池電壓在負載突降時可高達 40伏)，直至達到安全電壓(Vsafe)要求的電平，這樣可確保安全電容器儲存大量電能(見圖2)。之后才將這個較高的安全電壓調低至幾伏，這個較低的電壓稱為遠程電壓(Vremote)。必須嚴格按照這個充氣準備程序，以確保其后幾級的低壓降穩壓器出現較少壓降。壓降越少，功耗也就越低，效率也就越高。
圖 3：氣袋系統的電源分配結構 - 系統電路圖
由于Vremote的數值較低，其后幾級的低壓降穩壓器即使并不屬于汽車級別的產品，其輸入電壓范圍也可滿足有關的要求。LP2985系列芯片便屬于這類的穩壓器，其輸入電壓高達16伏，輸出電流為150mA，結溫可高達125℃，適用于大部分的應用場合。
LM9076穩壓器芯片則適用于更高溫的工作環境，其接面溫度可高達150℃。這款穩壓器可利用8伏的輸入電壓輸出150mA的電流及5伏的電壓。在額定的工作溫度及負載范圍內，這款穩壓器芯片可以保持極高的輸出電壓準確度(高達2%)。由于這個結構采用了安全電容器，因此工作時更為安全可靠。從成本的角度看，采用遠程低壓降穩壓器無需加設任何散熱器，因此有助節省成本。由于Vsafe(Vbat(最高值)，而一級轉換器可用作升壓轉換器，因此無需采用布局較為復雜的sepic或回掃式的轉換器。降壓轉換器適用于降壓穩壓器，后者成本也較低。由于低壓降穩壓器無需利用高壓電源，因此有多種不同的 CMOS或低電壓雙極芯片可供選擇。
有多個不同電壓輸出可供選擇
我們若采用開關穩壓器作為輸入級，再以多個低壓降穩壓器提供輸出，便可降低電源系統的整體成本。高功率的電源系統甚至必須采用這樣的設計。圖4是其中一個示例。
圖 4：可提供多個輸出的配置
Vlocal必須低至可以確保低壓降穩壓器不會耗散太多功率。Iout(最高值)=(Tj-Ta)/(((j,a)*(Vin-Vout))
只有在整體電壓超過指定壓降的情況下低壓降穩壓器才會將電壓穩定下來，因此Vlocal必須比Vx+VDox高。
本文總結
電源若采用恰當的設計，將有助降低系統開發的總體成本。若應用環境極為惡劣，例如在電池電壓、輸出電流以及溫度等都處于極高水平的情況下，我們必須考慮采用多轉換級的結構。目前市場上有很多專為汽車電源供應系統而設的穩壓器芯片可供選擇。采用WEBENCH等免費的網上設計工具也有助降低設計成本以及縮短產品的上市時間。汽車廠商都希望縮短新車的設計周期，因此穩壓器芯片將會更受汽車廠商的歡迎。即使是同一輛汽車，不同的子系統在實際應用時也各有不同的局限，因此設計這些電子系統的工程師必須對這方面有相當的認識。
