汽车电源设计趋势分析：从线性方案迈向开关方案

1、汽车电源设计趋势分析：从线性方案迈向开关方案 如今，随着人们对汽车的方便性、平安性、舒服性以及环保节能的要求越来越高，汽车已由最初的以机械部件为主演化至机电一体化，且对技术的依靠程度不断提高，越来越多的电子模块被集成以向汽车用法者提供更多功能。然而，这趋势也令工程师濒临更多的挑战：数字元件的增多导致电源下降以及元件内升高，加上政府规矩对二氧化碳排放的要求日趋严苛，以及消费者对燃油经济性的要求，工程师需要从模块的设计方面考虑如何降低功耗，减小静态电流，提升系统能效并符合各种环境规矩及平安标准。电源能效尽量提升电源能效向来是设计的一个核心目标。从热力学角度来讲，现实世界的能量转移并不完善，因为散热

2、和其他系统损耗等因素，输入功率永久不行能等于输出功率。这由电源能效来衡量，也就是输出功率除以输入功率的比值。我们假定线性稳压器和都有2.5 w的额定功率，以及5 v输出电压和0.5 a输出电流，那么线性稳压器需要6 w的输入功率（损失的3.5 w归咎于稳压器散热），能效为41%，而开关式稳压器仅需2.8 w的输入功率，能效高达90%。因此，开关计划提供比线性计划更高的能效。对设计师来说，了解从线性计划迈向开关计划的设计考量及其对设计的影响是很有须要的。开关电源设计考量按照开关电源的工作原理，通过导通和关断的开关状态对输入电压举行增强/减小/逆变的脉冲调制，这是优于线性计划只能减小输入电平的又一

3、优势。然而，开关计划也有无数弊端，因为其复杂的反馈回路，外部元件较线性计划多且需要更多的面积，再加上开关的性质导致其除噪性能差。为减轻开关电源弊端，系统设计师需作以下考量：(一)电磁干扰削减回路面积，优化pcb布局，从而削弱间的干扰；避开由稳压器和系统环境产生的敏感频段；采纳扩频调制技术、打算光谱含量和去耦计划降低排放峰值。(二)外部元件数量集成的电源开关可减小布线尺寸，功耗比板外电源开关更低，且更易于设计。(三)pcb面积减小和的尺寸，所占pcb面积得以减小，且开关频率增强，使能效得以提升，同时削弱pcb电磁辐射和电磁干扰。但需注重尽量使导通和开关损耗最小化，降低噪声。(四)反馈回路设计为匹

4、配输出阻抗的后稳压器挑选合适的负输入以避开振荡，达到稳压输出的目的；有效用法工具以了解频域中的频率补偿；频率补偿可通过挑选单极响应控制计划来实现。(五)瞬态电流将线性稳压器和开关电源并联，可减小瞬态电流，称为混合开关电源；且可按照线路负载状况，以恒定的开和关条件举行脉冲频率调制。汽车系统电源拓扑结构演化工程师须视详细的应用为汽车系统挑选合适的电源管理设计计划。图一：汽车系统电源拓扑结构演化概览混合线性/开关电源(smps)计划典型用于汽车adas系统和启停系统随着车辆主动平安系统的重要性的与日俱增，先进驾驶辅助系统(adas)逐渐从高档车应用扩展至中低档车，它通过帮助驾驶员控制车辆的复杂过程以

5、提供更平安方便的驾驶体验如自适应巡航控制、盲点监控、车道偏离警报、夜视、车道保持帮助、以及具自动转向和制动措施的碰撞警报系统。下一代adas系统将可令驾驶体验进一步，如：用智能手机app帮助自动停车；搭载v2x通讯系统实现车辆与车辆或车辆与外界环境的即时信息交换，从而大大缓解交通阻塞，削减交通事故的发生；通过介质雷达平台识别事故隐患，作出敏捷反应并自主实行行动，提供多重平安功能的同时降低成本。图二：adas系统这就需要配以系统基础芯片(sbc), 通过通信技术如以太网胜利衔接车辆中的各部分如摄像头、雷达和旋转来实现。因为adas系统高集成度的复杂性，系统设计师需要为其挑选高精度和可定制的电源和

6、功率模块，为电源部分提供专用功能如功能、电源监控冗余功能以及电压监控功能，以保证符合iso26262标准的汽车平安完整性(asli) b等级，实现整车功能性平安和更平安的驾驶体验。图三：以太网sbc技术实现adas的集成要求随着燃油经济性标准和规范的二氧化碳排放协议的推行，启停系统的市场需求日益增强。所谓启停系统，即在汽车行驶过程中暂时停车的时候自动熄火，需要继续前进时系统自动重启内燃机，从而削减发动机空闲的时光，以削减燃油消耗和二氧化碳排放。内燃机无法自行启动，需要外力引发燃烧循环。这是启动电机的用途所在，当插入点火开关钥匙并将开关扭至“开”，启动电机启动。然而，启动电机转动曲柄发动引擎需要

7、的电流量十分大，导致在启动阶段汽车电池电压显著下降。为避开启动阶段的压降，混合线性/smps计划被进一步改进，于降压稳压器和电池供电的之间添加启停预升压器（一右上角所示），它基于点火开关打开和关闭，以满足启停系统的低压启动。预升压器通常采纳大功率集中式多相升压和分布式小功率单相升压等办法，用以避开电压骤降导致的异样，并符合12 v系统的 iso 16750标准。开关电源计划典型用于驾驶信息系统驾驶信息系统包括车辆内外的信息系统、通信系统以及消遣系统，是汽车进展的主要部分。油耗、车速、导航、消遣及adas系统等信息都可通过仪表盘和中控面板向驾驶员显示。nvidia、intel等厂商不断提升系统集

8、成能力并开发智能解决计划，通过图形处理器集成和衔接各种不同车辆的功能。因为系统内部需要举行大量的计算，所以驾驶信息系统属于高功率应用，可采纳开关电源计划。单相/多相smps作为用于驾驶信息系统的关键技术，可按照实时用法情况举行动态电压调整，削减不须要的功耗。安森美的ncv8901系列是集成降压smps的转换器，输出电流为1.2 a，工作频率为2 mhz，输入电压范围4.5 v 至36 v，可耐受40 v抛负载电压，芯片工作结温为-40至150，体积小，输出精度高，可在驾驶信息系统中用法。汽车电源朝48 v 系统进发因应不断提升的节能减排的需求/规范，轻型48 v系统销量近十年来向来在增长。48

9、 v结构由12 v和48 v网络组成，两个网络之间通过双向输出的smps相连，结合传统的12 v或14 v网络，像大多数传统车辆一样采纳铅酸电池。一个48 v锂离子电池配备一个自立的48 v网络。12 v网络处理传统的负载：照明、点火、消遣、音频系统以及电子模块。48 v系统支持主动底盘系统、空调压缩机和再生制动。48 v结构的关键优点在于它结合了双压设置及尽人皆知的启停技术的优点，更有效地捕获车辆制动能量，为不断增强的电气负载提供更高功率，同时提升可能高达15%的燃油能效；此外，它还减小传送到负载的电流、削减线束分量从而提升电源能效。结语汽车行业相关的电源管理模块的复杂性不断增长，线性稳压器已不能满足高能效的需求，演化出将线性稳压器和开关电源并联的