內(nèi)燃機(jī) （ICE） 車輛依靠鉛酸電池為其引入高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS） 所需的眾多電子控制單元 （ECU） 供電。根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜性，這些負(fù)載需要幾安培到幾十安培的電流。在本應(yīng)用筆記中，我們回顧了汽車ECU電源管理系統(tǒng)的不同復(fù)雜程度。對(duì)于低復(fù)雜度，單芯片前端降壓轉(zhuǎn)換器是提高效率和PCB尺寸的最佳解決方案。對(duì)于中等復(fù)雜程度，PWM 控制器與外部 MOSFET 結(jié)合使用是最佳方法。最后，對(duì)于更高水平的功率，兩相交錯(cuò)方法在效率和尺寸方面產(chǎn)生最佳結(jié)果。

在汽車中引入高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）后，通過(guò)增加多個(gè)顯示器和傳感器，增加了電子負(fù)載的數(shù)量。高端汽車需要近百個(gè)電子控制單元（ECU）。每個(gè)ECU通過(guò)降壓轉(zhuǎn)換器從汽車電池獲取電力。ECU中的片上系統(tǒng)（SoC）需要越來(lái)越高的功率水平，在某些情況下接近200W。

內(nèi)燃機(jī) （ICE） 車輛依靠鉛酸電池為電子負(fù)載供電。電池原始電源和精密電子設(shè)備之間的接口需要一個(gè)前端穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可以支持不同的瞬態(tài)條件，例如冷啟動(dòng)和啟動(dòng)/停止，同時(shí)承受負(fù)載突降。反過(guò)來(lái)，前端穩(wěn)壓器必須提供干凈的中間電壓，該中間電壓可以向上或向下轉(zhuǎn)換，以提供每個(gè)電子負(fù)載所需的專用電源軌。

在本文中，我們將回顧不同復(fù)雜程度的ECU的電源管理要求，并解釋如何為每個(gè)ECU選擇最佳的前端穩(wěn)壓器解決方案。

典型電子控制單元系統(tǒng)

前端降壓轉(zhuǎn)換器與電池連接，處理其電壓變化和瞬變（負(fù)載突降），并提供一個(gè)控制良好的3.3V電壓。從這條軌道上，汽車電子設(shè)備的主要元件被供電。前端降壓轉(zhuǎn)換器的總電流負(fù)載可以從幾安培到幾十安培不等，具體取決于系統(tǒng)的復(fù)雜性。

降壓轉(zhuǎn)換器必須承受電池電壓，在充滿電的電池上，電池電壓可能高達(dá)14.7V。采用啟停技術(shù)的車輛在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)遇到較大的電壓驟降，因此電源的下限遠(yuǎn)低于典型的12V，可能低至4V或更低。需要高且控制良好的PWM開關(guān)頻率（高于500kHz至1.7MHz的AM頻段范圍）以減少射頻干擾，而擴(kuò)頻則需要滿足電磁干擾（EMI）標(biāo)準(zhǔn)。由于ECU僅提供100μA的靜態(tài)電流，板載降壓轉(zhuǎn)換器節(jié)省的每一微安電流都是可用于模塊微控制器、存儲(chǔ)器或控制器局域網(wǎng)（CAN）的微安。最后，高效降壓轉(zhuǎn)換器將減少總熱量產(chǎn)生，提高系統(tǒng)的可靠性。

復(fù)雜度低

如果ECU復(fù)雜度較低，則一個(gè)簡(jiǎn)單的全單芯片IC就足以滿足前端降壓轉(zhuǎn)換器的需求，如圖3所示。對(duì)于低于8A的電流水平，單片解決方案可以在盡可能小的PCB面積內(nèi)提供最佳效率。單片式轉(zhuǎn)換器集成了 MOSFET，可以干凈有效地檢測(cè)高側(cè) MOSFET R 兩端的電感電流DS（ON），避免使用昂貴且耗散的檢測(cè)電阻。MOSFET 的集成還降低了整體解決方案尺寸和成本，同時(shí)最大限度地減少了 PCB 布局引入的寄生效應(yīng)。最佳布局可改善 EMI 性能并提高效率。

圖3.單芯片前端降壓轉(zhuǎn)換器

通過(guò)這種實(shí)現(xiàn)，3.3V、6A解決方案的總PCB面積為300mm2如圖4所示。

圖4.單片前端降壓轉(zhuǎn)換器PCB面積（300mm2）

中等復(fù)雜度

對(duì)于需要8A至20A總電流的中高級(jí)系統(tǒng)復(fù)雜性，前端降壓轉(zhuǎn)換器最方便的解決方案是控制器IC和外部低R。DS（ON）場(chǎng)效應(yīng)管（圖 5）。通過(guò)正確選擇 MOSFET、電感器和最佳 PCB 布局，可以獲得高效率。直流電阻（DCR）電流檢測(cè)可進(jìn)一步降低損耗，從而避免與檢測(cè)電阻相關(guān)的損耗。在這種情況下，電感電流在C上被感測(cè)S電容器。如果電感時(shí)間常數(shù)（L/RL） 與外部網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù) （RSx CS），電容器C兩端的電壓S等于電感寄生電阻兩端的電壓 RL（已知值）。這允許推導(dǎo)電感電流。

圖5.具有外部 MOSFET 的前端降壓控制器

通過(guò)這種實(shí)現(xiàn)，3.3V、7A解決方案的PCB面積為500mm2如圖 6 所示。本案例與前一個(gè)案例之間的準(zhǔn)同類比較表明，對(duì)于總電流水平低于8A的系統(tǒng)，使用單片解決方案具有優(yōu)勢(shì)。另一方面，基于控制器的解決方案在較高電流下變得強(qiáng)制性。

圖6.基于控制器的前端降壓PCB面積（500mm2）

高度復(fù)雜

對(duì)于要求總電流水平高于20A的系統(tǒng)，兩相交錯(cuò)式控制器是前端降壓轉(zhuǎn)換器的最佳解決方案，如圖7所示。

圖7.兩相交錯(cuò)式前端降壓轉(zhuǎn)換器

兩個(gè)交錯(cuò)相位可確保降低紋波電流。在相對(duì)較低的每相工作頻率下獲得較低的總紋波電流。例如，圖8顯示，在33%占空比下，兩個(gè)紋波電流錯(cuò)相180°，導(dǎo)致總紋波電流在兩倍頻率下幅度為單相幅度的一半。較高頻率下的紋波電流越低，意味著輸出端需要的電容更少，從而減小了BOM。

圖8.兩相電流紋波降低與時(shí)間的關(guān)系

兩相架構(gòu)還需要較少的輸入電容?？傒斎腚娏魇莾蓚€(gè)異相電流（I合1和我IN2在圖 9 中）。在這里，與允許較小輸入電流紋波濾波器的單相操作相比，隨著時(shí)間的推移分散總輸入電流會(huì)降低輸入電流的總RMS值。

圖9.兩相輸出紋波電流和輸入電流與時(shí)間的關(guān)系

此外，如圖10所示，當(dāng)兩種方案以相同的輸出紋波頻率運(yùn)行時(shí)，兩相（2F，以紅色顯示）比單相（1F，以藍(lán)色顯示）更有效。單相，以兩倍于時(shí)鐘頻率（fCK）的兩相，也可以實(shí)現(xiàn)高頻和低電流紋波，但開關(guān)損耗更高。兩種方案在一個(gè)周期內(nèi)的轉(zhuǎn)換次數(shù)相等，但雙相轉(zhuǎn)換器消耗的電流是單相轉(zhuǎn)換器的一半（超過(guò)持續(xù)時(shí)間的兩倍），從而降低了開關(guān)損耗。

圖 10.兩相電流與單相電流與時(shí)間的關(guān)系

雙相轉(zhuǎn)換器的另一大優(yōu)點(diǎn)是負(fù)載階躍期間的快速瞬態(tài)響應(yīng)和更低的電壓過(guò)沖/下沖。由于每相電流減半，電流紋波幅度減小，紋波頻率翻倍，現(xiàn)在可以推高相位開關(guān)頻率，以進(jìn)一步減小元件尺寸，并增加轉(zhuǎn)換器的近距離帶寬，而不會(huì)遇到熱限制。

最后，隨著總負(fù)載電流的增加，無(wú)源元件的尺寸也會(huì)增加。對(duì)于高于20A的負(fù)載，用于單相的外部FET和電感可能體積龐大且效率低下。采用多相操作可降低每相電流，從而確保無(wú)源器件的最佳尺寸。

解決方案示例：低復(fù)雜度系統(tǒng)

MAX20004、MAX20006和MAX20008為小尺寸、同步降壓轉(zhuǎn)換器，集成高邊和低邊MOSFET。它們?cè)?3.5V 至 36V 的輸入電壓范圍內(nèi)提供高達(dá) 8A 的電流，而在空載時(shí)僅使用 25μA 的靜態(tài)電流。小型 3.5mm x 3.75mm 封裝需要極少的電路板空間和極少的外部元件。

EMI是汽車客戶最關(guān)心的問(wèn)題。強(qiáng)制脈寬調(diào)制 （PWM） 模式可用于消除頻率變化并有助于最大限度地降低 EMI。工廠啟用的擴(kuò)頻也可用于進(jìn)一步降低EMI。圖11顯示了輕松滿足輻射發(fā)射限值的設(shè)備。

圖 11.通過(guò) FPWM 和擴(kuò)頻實(shí)現(xiàn)低輻射發(fā)射

圖12給出了MAX20006降壓轉(zhuǎn)換器與類似器件相比的效率優(yōu)勢(shì)。低R-RDS（ON）集成的 MOSFET 晶體管和不帶鍵合線的 FCQFN 封裝可確保在高負(fù)載電流下實(shí)現(xiàn)卓越的效率。

圖 12.降壓轉(zhuǎn)換器效率比較

解決方案示例：中等復(fù)雜度系統(tǒng)

MAX20098為2.2MHz同步降壓型控制器IC，靜態(tài)電流為3.5μA。該器件采用 3.5V 至 42V 的輸入電壓電源工作，并以 99% 占空比運(yùn)行，可在壓差條件下工作。它適用于具有中高功率要求和高達(dá) 20A 電流的應(yīng)用。為了獲得最高效率，該器件的時(shí)鐘頻率可低至 220kHz。

解決方案示例：高復(fù)雜性系統(tǒng)

MAX20034為2.2MHz、單輸出、兩相交錯(cuò)或雙輸出、單相同步降壓控制器。該器件采用 3.5V 至 42V 輸入電壓電源工作，并以 99% 占空比運(yùn)行，可在壓差條件下工作。它適用于具有高功率要求和高達(dá) 40A 電流的應(yīng)用。為了獲得最高效率，該器件的時(shí)鐘頻率可低至 220kHz。

所有示例設(shè)備都支持需要電源的應(yīng)用 直接調(diào)節(jié)汽車電池。這些特點(diǎn)是 通過(guò)寬輸入電壓范圍，有助于抵御惡劣天氣 瞬態(tài)條件，如汽車?yán)鋯?dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī) 停止-啟動(dòng)條件。

結(jié)論

內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力車輛依靠鉛酸電池為其供電 眾多電子負(fù)載。根據(jù)系統(tǒng)復(fù)雜性， 這些負(fù)載需要從幾安培到幾十安培 當(dāng)前。

在本文中，我們回顧了不同復(fù)雜程度的 汽車ECU電源管理系統(tǒng)。對(duì)于低水平 復(fù)雜而言，單芯片前端降壓轉(zhuǎn)換器是 效率和PCB尺寸的最佳解決方案。對(duì)于中等水平 復(fù)雜性，PWM 控制器與外部結(jié)合使用 MOSFET是最好的方法。最后，為了獲得更高水平的功率， 兩階段交錯(cuò)方法在方面產(chǎn)生最佳結(jié)果 的效率和規(guī)模。

審核編輯：郭婷