如果將今天的智能汽車看成是一個“生物”，那么汽車電子設(shè)備的電源管理系統(tǒng)，就像是這個“生物”的心血管系統(tǒng)，為其提供運轉(zhuǎn)所需的能量。不過和自然界中真實的生物不同，汽車這個物種進化得太快了，隨著其功能的不斷發(fā)展，對于“心血管”造成的壓力可想而知。因此，新一代汽車電源管理系統(tǒng)的設(shè)計，也是勢在必行。
眾所周知，汽車電子的諸多功能是由遍布車身的電子控制單元（ECU）實現(xiàn)的，ECU除了要提供動力和駕控等汽車作為交通工具的“傳統(tǒng)藝能”，更是實現(xiàn)ADAS、信息娛樂主機、智能儀表盤等快速增長的車載智能化功能的關(guān)鍵。據(jù)分析，高端汽車中集成有近百個ECU。
想要確保這么多ECU可靠而安全地運轉(zhuǎn)，為每個ECU“架設(shè)”專用的電源管理鏈路，使其能夠從汽車電池中獲取電力，顯然是必不可少的工作。而在這個過程中，一個突出的挑戰(zhàn)在于：ECU數(shù)量在增加，相應(yīng)地電源管理系統(tǒng)會變得越來越復(fù)雜，而汽車的空間是有限的。因此，應(yīng)對這樣的挑戰(zhàn)，如何進行汽車電源管理系統(tǒng)的小型化設(shè)計，也就成了一個繞過不去的必答題。
汽車電源管理小型化設(shè)計挑戰(zhàn)
當然，“小型化”三個字說說容易，做起來并不簡單。這是因為與其他的應(yīng)用相比，汽車電源管理面對的約束條件更多，需要權(quán)衡的技術(shù)要素也更全面。
首先，在不影響性能的前提下，用集成度更高的解決方案替代分立器件方案，肯定是優(yōu)先考慮的方法。因此，能夠提供多路電源軌輸出，為多個用電單元供電的車用PMIC，會更受開發(fā)者的青睞。
其次，隨著單臺車輛上汽車電子設(shè)備數(shù)量的增加，也需要汽車管理器件有能力支持更高功率、更大電流的應(yīng)用。而在某些應(yīng)用中，特別是一些高性能的SoC，對于電壓軌的電壓精度等指標會有更特殊的要求。這都要求車用電源管理器件，在性能上有相應(yīng)的提升和優(yōu)化。
再有，受汽車空間所限，車載電子產(chǎn)品受到的“熱約束”也更大。這就要求電源管理系統(tǒng)在提升效率上精益求精、錙銖必較，盡可能減少熱損耗，簡化熱管理系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性。
同時，狹小的空間也會增加EMI防護和治理方面的挑戰(zhàn)，而在電源管理中廣泛使用的開關(guān)穩(wěn)壓器本身就是一個“噪聲源”，因此需要從器件級和系統(tǒng)級兩個方面著手，應(yīng)對EMI的問題——這不僅僅是產(chǎn)品功能設(shè)計的需要，更是相關(guān)法規(guī)標準的強制要求，不容馬虎。
此外，汽車應(yīng)用在可靠性和安全方面的高標準，也會體現(xiàn)在電源產(chǎn)品的設(shè)計上，在小型化的同時，確保電源管理方案達到相應(yīng)的功能安全等級，也是必不可少的技術(shù)考量。
上述諸多技術(shù)因素的影響，使得工程師在設(shè)計小型化的汽車電源管理系統(tǒng)時，對于相關(guān)芯片解決方案的選型會更加“挑剔”，能夠成為他們心頭好的電源管理器件，一定需要具備過硬的實力以及與眾不同的優(yōu)勢。接下來，本文將帶大家認識這樣幾款A(yù)nalog Devices出品的車用電源管理器件。
高集成方案，減小占板面積
以汽車中的ADAS高級輔助駕駛系統(tǒng)為例，為了實現(xiàn)更高級別的駕駛自動化，提供更佳的用戶體驗，ADAS系統(tǒng)中通常會采用包括毫米波雷達、激光雷達和攝像頭模塊在內(nèi)的多種環(huán)境傳感器，每種傳感器的數(shù)量也不止一個，以增強對環(huán)境的感知能力。
在傳統(tǒng)的方案中，為單個環(huán)境傳感器供電（以毫米波雷達中的單片MMIC為例），需要包括多個電壓調(diào)節(jié)器、監(jiān)視器和看門狗IC在內(nèi)的六個分立的器件（如圖1）。這樣的方案可能會占掉一個傳感器模塊PCB上一半以上的面積，這顯然會讓核心的功能設(shè)計捉襟見肘，處處受制。
圖1：基于分立器件的雷達ECU電源管理方案（圖源：Analog Devices）
為此，Analog Devices提出了一種基于高集成度PMIC的雙芯片解決方案（如圖2），大大減少了電源管理系統(tǒng)的占板面積，為其他的功能電路釋放出充足的設(shè)計空間。
圖2：基于PMIC的雷達ECU電源管理方案（圖源：Analog Devices）
由上圖可見，該方案包括兩個核心電源管理器件：
· 前端是一個高壓降壓轉(zhuǎn)換器（HV BUCK），其作用是將電池電壓降至3.3V；
· 后端是一個高密度、低電壓的PMIC，其集成有多路的電壓調(diào)節(jié)器，包括降壓調(diào)節(jié)和升壓調(diào)節(jié)，以產(chǎn)生高精度的電壓軌輸出，為功能模塊中的用電負載供電。
架構(gòu)優(yōu)勢
這種架構(gòu)一方面可以顯著優(yōu)化電源管理系統(tǒng)的尺寸，賦能產(chǎn)品的小型化設(shè)計，另一方面也有利于方案的可擴展性，開發(fā)者可以根據(jù)目標應(yīng)用的需要，分別選擇更為合適的高壓降壓轉(zhuǎn)換器和低壓PMIC，實現(xiàn)更優(yōu)的方案。
Analog Devices也為支持這一架構(gòu)，提供了豐富的產(chǎn)品組合。
MAX20014
在后端低壓PMIC方面，MAX20014是一個應(yīng)用范圍很廣的解決方案。MAX20014是一個高效、三路輸出的低壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，其中一路同步升壓轉(zhuǎn)換器輸出，將輸入電壓升壓到8.5V，輸出電流高達750mA；而兩路同步降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為3.0V至5.5V，提供0.8V至3.8V的輸出電壓，負載電流可達3A。在整個負載范圍，以及器件的工作溫度范圍內(nèi)，MAX20014都能夠提供較高的精度（升壓轉(zhuǎn)換器精度可達±2%，降壓轉(zhuǎn)換器的精度可達±1.5%）。
除了本身的高集成度，由于MAX20014的工作頻率高至2.2MHz，因此允許使用外形更小的全陶瓷電容，使得外圍元件占位面積更小。
在效率方面，MAX20014可以工作在2.2MHz固定頻率脈寬調(diào)制（PWM）模式可提供更好的負載瞬態(tài)響應(yīng)；其也可工作在脈沖頻率調(diào)制模式（SKIP），確保輕載下的高效工作。由于集成了低RDS(ON)開關(guān)，因此相對于分立式方案，MAX20014也大大提高了重負載時的效率。
此外，MAX20014采用可編程擴頻調(diào)制，可有效抑制EMI電磁輻射。器件還提供預(yù)設(shè)的固定或電阻可調(diào)節(jié)輸出電壓、軟啟動、過流和過熱保護等功能，可以說是一位各方面實力都不俗的“六邊形戰(zhàn)士”。
圖3：MAX20014升壓和雙通道降壓轉(zhuǎn)換器框圖（圖源：Analog Devices）
MAX20408
在前端的高壓降壓轉(zhuǎn)換器的選擇上，具有10μA靜態(tài)電流和雙相能力的汽車級36V、8A全集成降壓轉(zhuǎn)換器MAX20408是一款值得推薦的產(chǎn)品。
作為一款小型同步降壓轉(zhuǎn)換器，MAX20408集成了高側(cè)和低側(cè)開關(guān)，可在3V到36V的寬輸入電壓范圍內(nèi)提供高達8A的電流。其還具有雙相功能，可將兩個IC配置為主機和從機，進行動態(tài)電流共享和180°錯相操作，這樣一來可支持的電流將成倍增加，達到16A。這種大電流能力，非常有利于為下游更豐富的功能模塊提供充沛的電力，以簡化整體系統(tǒng)BOM。
圖4：MAX20408汽車級全集成降壓轉(zhuǎn)換器框圖（圖源：Analog Devices）
2.1MHz和400kHz的高開關(guān)頻率選項，使得MAX20408同樣支持外部元件的小型化，同時可減少輸出紋波并確保無AM干擾。擴頻選項也有助于進一步減少EMI輻射。
MAX20408可編程的FSYNC輸入支持三種不同的工作模式，包括強制PWM模式、超低靜態(tài)電流的跳躍模式以及與外部時鐘的同步模式，有利于性能的優(yōu)化。其電壓質(zhì)量可以通過觀察PGOOD信號來監(jiān)測，并可以在99%占空比低壓差下運行，非常適合于汽車和工業(yè)等高可靠性應(yīng)用。
圖5：MAX20408可為后端電路提供充足電力（圖源：Analog Devices）
多路電源監(jiān)控器，確保功能安全
越來越多汽車電子設(shè)備的部署，除了要考慮性能和功能方面的要求，還有一個必不可少的技術(shù)考量，這就是功能安全，其作用是確保車輛中電氣安全相關(guān)系統(tǒng)發(fā)生故障時，不會導致安全系統(tǒng)的故障或風險。這在車載應(yīng)用中是至關(guān)重要的。
汽車電子系統(tǒng)所需的功能安全級別，以系統(tǒng)的ASIL（汽車安全完整性級別）評級來定義，由低到高分為從A到D四個級別。想要達到所需的ASIL級別，通常有兩種方法：一種方法是使用集成了相關(guān)功能、本身符合ASIL的IC，采用這種方法BOM更簡化，當然單顆物料的成本也會更高些；另一種方法是使用監(jiān)控電路來提供系統(tǒng)達標所需的檢測、診斷和驗證等功能，這種方案通常具有更大的設(shè)計靈活性。
在汽車電源管理領(lǐng)域，無論采用哪種方法，都面臨著小型化的設(shè)計挑戰(zhàn)。以ADAS系統(tǒng)為例，通常需要對其核心SoC進行電壓監(jiān)控和執(zhí)行監(jiān)控，以確保系統(tǒng)的正常工作。這個過程中，核心SoC需要執(zhí)行多個復(fù)雜算法來將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為邏輯響應(yīng)，需要看門狗IC來確保正確執(zhí)行。這些復(fù)雜算法需要SoC內(nèi)集成的不同功能模塊（如主處理器外圍電壓、處理器內(nèi)核、存儲器和外設(shè)）共同來完成。在主SoC之外，整個系統(tǒng)中還可能會有其他微控制器控制的傳感器進行數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動響應(yīng)……所用這些都需要不同的電源軌供電，而為了滿足功能安全要求，則需要對每個電源軌都進行電壓監(jiān)控。這時，一個高集成度的電源監(jiān)控解決方案就顯得十分必要了。
MAX20480是符合ASIL標準的SoC電源系統(tǒng)監(jiān)測器，可支持多達7路電壓監(jiān)測輸入，每路輸入均具有可編程OV/UV門限（介于2.5%至10%之間），精度為±1%。其中兩路輸入具有獨立的遠端地檢測輸入，通過集成I2C接口支持DVS。
MAX20480包含可編程靈活上電順序記錄器（FPSR），該記錄器可獨立儲存上電和斷電時標，支持開/關(guān)和休眠/待機電源排序。MAX20480還包含可編程質(zhì)詢/應(yīng)答看門狗，可通過I2C接口訪問，同時還包括可編程低電平有效RESET輸出。
顯而易見，與獨立IC或分立式元件相比，MAX20480在提高可靠性的同時大大降低了所需元件的數(shù)量，減少了系統(tǒng)尺寸，與監(jiān)控控制器配合使用時，MAX20480可滿足ASIL-D可靠性標準的要求，提供了一種小型化的設(shè)計解決方案，在ADAS、駕駛員和乘客監(jiān)控系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng)、智能座艙等新興車載應(yīng)用中都能夠大顯身手。
圖6：MAX20480電源系統(tǒng)監(jiān)測器（圖源：Analog Devices）
本文小結(jié)
越來越豐富的汽車電子功能，推動著相關(guān)電子設(shè)備小型化的設(shè)計趨勢。而這種小型化的設(shè)計要求具體到為每個ECU供電的電源管理系統(tǒng)的設(shè)計上，就面臨著諸多挑戰(zhàn)。以往開發(fā)者不得不在諸多設(shè)計要求之間進行權(quán)衡取舍，難于達到理想的設(shè)計目標。
好消息是，Analog Devices提出了一種理想的雙芯片汽車電源系統(tǒng)架構(gòu)，并提供了豐富的產(chǎn)品組合，以滿足不同車載應(yīng)用電源管理系統(tǒng)設(shè)計的要求。如果你想了解更多的技術(shù)信息，探索更多的可能性，請訪問貿(mào)澤電子官網(wǎng)中相關(guān)的技術(shù)專題頁面，你一定會收獲滿滿。 |
