汽車SoC電源架構設計

隨著高級駕駛輔助系統 (ADAS) 和信息娛樂系統的片上系統 (SoC) 計算能力不斷提高，這對功率提出了更高的需求。一個 SoC 可能需要 10 多種不同的電源軌，電流范圍也從數百安(A) 到幾毫安。為這些應用設計最佳電源架構絕非易事。本文將討論如何為汽車 SoC 設計最佳電源架構，尤其是預調節器的設計。

汽車電池面臨的挑戰

汽車環境中的 12V 電池總線可能面臨各種壓力源，例如汽車行駛期間產生的瞬態過壓 (OV) 和欠壓 (UV) 情況。因此，能夠工作在PC 12V 總線上的大多數DC/DC 集成電路 (IC) 并不適合汽車應用。汽車應用需要一個預調節器來為低電壓 DC/DC IC 做準備。預調節器應生成干凈的總線（通常為 5V 或 3.3V），使核心 VR 和其他變換器能夠順利運行。

片上系統 (SoC)的電源要求

在開發初期，SoC 的電源要求中通常會給出每個電源軌的電壓和電流額定值，以及系統需要支持的預期瞬態電流。電源架構師的工作是將這些信息轉換為可理解的系統級圖表，進而開始硬件設計。表 1 顯示了 一個SoC 電源要求示例。

表1: SoC電源要求

注意:

1) 電壓容差包括變換器的直流電壓精度、負載瞬態響應和 IR 壓降。 

圖 1 顯示了根據 SoC 電源要求得到的電源樹。 

圖1: 電源樹

注意，圖中有兩個預調節器用于將每個變換器的輸出功率限制在 50W 左右。采用兩個預調節器可以讓設計人員有更廣的 IC 選擇范圍。

選擇預調節器拓撲

設計預調節器的第一個步驟是確定其拓撲。根據所需的工作條件，預調節器可以是降壓變換器、升降壓變換器，或者降壓和升壓變換器的組合。

如果要求系統可以在熱啟動條件下運行，但也可以在更嚴苛的冷啟動條件下短暫關斷，則建議選擇降壓變換器拓撲以優化成本與效率；如果要求任一電路的電壓在熱啟動條件下都超過 5V，則可以添加一個后升壓變換器來確保能為電路提供所需電壓；而如果要求電路也同時支持嚴苛的冷啟動條件，那么選擇升降壓變換器可以確保系統在所有可能條件下均正常運行。但要注意，升降壓變換器通常比簡單的降壓變換器更昂貴，效率也更低。本設計示例選用了降壓變換器。

設置總線電壓

拓撲確定之后，設計人員就需要考慮總線電壓了。總線電壓通常為 3.3V 或 5V，它為所有下游變換器供電。大多數低電流 DC/DC IC 都可以在最高 5.5V 的電壓下工作，因此兩種總線電壓都可選。但帶控制器和 Intelli-PhaseTM 變換器的解決方案則必須在≥5V 的總線上運行。

選擇低總線電壓的主要目的是降低成本，因為直接降壓至 3.3V 有些情況下可以減少變換器的使用數量；但當電壓轉換至 5V 時，它又需要較高的輸出電流。

預調節器的額定功率是應用效率系數時其下游變換器輸出功率的總和。為簡單起見，我們假設所有變換器的效率都為 89%。預調節器 1 (PPRE-REG1) 的功率可以通過公式 (1) 來計算：

預調節器 2 (PPRE-REG2) 的功率可通過公式 (2) 估算：

然后計算每個預調節器的輸出電流。使用公式 (3) 計算預調節器 1 的輸出電流 (IPRE-REG1_5V) :

使用公式 (4) 估算預調節器 2在3.3V 總線電壓下的輸出電流 (IPRE-REG2_3.3V) :

使用公式 (5) 估算預調節器 2在3.3V 總線電壓下的輸出電流 (IPRE-REG2_5V) :

由于系統額定功率較高，5V 總線電壓允許低于 3.3V 總線電壓的輸出電流。因此，建議選擇 5V 總線電壓，從而降低所需 DC/DC 變換器的復雜性。

選擇IC

確定拓撲與輸出負載之后，設計人員就可以選擇預調節器IC。該 IC 必須支持負載突降條件下的 42V 輸入電壓，并且能夠在熱啟動條件下以低至 6V 的電壓工作。此外，輸出負載能力也應≥11.5A，或者并聯兩個器件以達到該電流。由于功率水平相當，兩個預調節器可以采用相同的 IC。

MPQ4360-AEC1 是一款額定電流為 6A 的同步降壓變換器，它可在多相配置下工作以實現 12A 的輸出電流。交錯多相操作可減小電磁輻射并允許使用更小的組件；與采用控制器和分立 FET 的解決方案相比，它具有PCB 布局更小的優勢。該器件還具有22μA超低靜態電流(IQ)，因此非常適合汽車應用。圖 2 顯示了兩個并聯運行的 MPQ4360-AEC1。 

圖 2：雙相 MPQ4360-AEC1 原理圖

圖 3 所示為雙相運行的MPQ4360-AEC1 PCB 布局示例。該方案面積約為750mm2. 

圖 3：雙相運行MPQ4360-AEC1 器件的 PCB 布局

系統保護

電池總線有可能面臨危險的反向電源電壓。如果系統不具備相應的保護功能，則所有器件都可能被損壞。為了防止反向電流流動，通常會在輸入線上添加一個二極管。但二極管上有正向電壓 (VF)；當電流正常流過二極管時， VF 會產生功耗。

SoC系統的額定功率通常大于100W； 對于 一個12V 電池來說，這意味著輸入電流可能超過 8A。而8A 對于一個簡單的二極管來說顯然過高；即使采用 VF 為 0.3V的肖特基二極管，功耗也會超過 2.4W。常用的替代方案是采用 P 溝道 MOSFET 來阻斷反向電流，但這些 MOSFET 可能無法在足夠長的時間內保護 IC 免受高頻交流電流的影響。

MPQ5850-AEC1 是一款可以保護系統免受反向電流影響的理想二極管控制器。該器件控制一個具有強大柵極驅動能力的 N 溝道 MOSFET，可以快速阻斷任何反向電流流動（見圖 4），從而以最低功耗提供反向電流保護。

圖 4：MPQ5850-AEC1 理想二極管控制器

確定預調節器和保護器件之后，更新電源樹以反映所選組件（參見圖 5）。 

圖 5：最終的預調節器和保護電源樹

結語

為 ADAS 系統選擇合適的預調節器并非易事。如果IC允許其輸出在多相拓撲中并聯運行，則設計會更加簡單。采用 MPQ4360-AEC1 和 MPQ5850-AEC1 實現的可擴展解決方案可使每個電源軌都以較小面積滿足所需的輸出電流要求，同時還可降低 BOM 成本。

來源：MPS

作者：Francesc Estragués