如何為汽車電子系統設計成本低廉的電源

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。基于該工具，系統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。

系統設計工程師接著可以從這些芯片之中挑選最切合他們需要的一款，其中包括最新推出內含電源開關及控制器的Simple Switchers系列開關穩壓器芯片。芯片選定之后，WEBENCH的設計軟件會為工程師提供一個附有電路圖的系統解決方案，以便工程師可以利用電路圖進行仿真測試，以測試系統的電子特性以至其散熱能力。

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。

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。

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