如何为汽车电子系统设计成本低廉的电源供应器
新款的汽车采用越来越多精密的电子零件。这个发展趋势清楚显示芯片厂商开发新芯片时，将会面对很多新的挑战。汽车电子系统的操作环境极为恶劣，例如汽车的使用期较长，操作的温度范围较为广阔，此外，还有电磁干扰和电磁兼容性以至机械性能等问题需要解决。换言之，“芯片产品的整体成本承受很大的压力，但技术上又要像军用产品那样必须符合严格的要求”。价格是另一个越来越备受关注的问题。出厂的汽车必须安全可靠，能长时间保持最佳的性能状态，才可满足车主的要求。汽车的设计周期必须缩短，以确保新车可以尽快推出市场。
本文将会集中讨论如何为汽车电子系统设计成本低廉的电源供应器，文中会深入讨论系统的设计 (及重新设计)、可靠性以及芯片成本等问题，并探讨有关问题的解决办法。
1 设计流程
美国国家半导体很早便已推出一套用途非常广泛的WEBENCH网上设计工具，以协助系统设计工程师设计电源供应器。自从这个网站面世以来，很多公司争相仿效。系统设计工程师即使对电源供应器的设计认识不深，也可将最高及最低输入电压、输出电压及电流、温度范围等设计参数输入 WEBENCH 网页，让网上的设计软件为他们挑选一些切合其设计需要的电源管理芯片。
系统设计工程师跟着可以从这些芯片之中挑选最切合他们需要的一款，其中包括最新推出内含电源开关及控制器的Simple Switchers系列开关稳压器芯片。芯片选定之后，WEBENCH 的设计软件接着会为工程师提供一个附有电路图的系统解决方案，以便工程师可以利用电路图进行模拟测试，以测试系统的电子特性以至其散热能力。
WEBENCH网上设计工具非常容易使用，系统设计工程师只要利用这套设计工具便可迅速完成电源供应器的设计。这个设计网站的数据库储存了数百款芯片的资料。所有设计工具都可支持多种不同的结构。工程师完成设计之后，可将整份设计传送给有关的同事或供应商以供他们参考。他们甚至可以在网上订购模板，供应商保证有关产品几日内便可送到客户手中。所需的分立元件也会跟模板一并寄出，工程师只需将分立元件焊在电路板上便可，这样可确保产品更快推出市场。
使用这套设计工具无需缴付非常昂贵的模拟测试授权费。由确定技术参数至电路布局的构思，整个设计过程都可获得支持。工程师可以挑选合适的芯片进行电子及热能方面的模拟测试。
系统设计工程师只要采用这套设计工具，便可节省设计及调试时间，换言之，这套设计工具可为公司节省更多开发成本。此外，许多公司虽然擅长设计数字系统，但对电源供应器的设计反而认识不深。以往他们可能需要聘请外面的顾问公司才可完成这方面的工作。但现在他们只要采用 WEBENCH 设计工具，便无需寻求外援，使这方面的开支也可节省下来。
2 新时代、新挑战
2.1 静态电流
汽车工业的发展一日千里，新的挑战不断涌现。例如，汽车电子系统所要求的静态电流标准也越趋严格。越来越多汽车制造商要求芯片供应商为他们提供静态电流低于 100uA 的 ECU 芯片。汽车厂商是有这个实际需要的，因为静态电流若果不够低，汽车在连续停泊数星期之后，车内的电池便会因多日不用而无法重新启动。解决这个问题的其中一个方法是缩短电池与 ECU 芯片之间的供电线路。但启动这个开关稳压器仍然会耗用一定的电量，因为开关稳压器采用金属氧化半导体 (MOS) 技术制造，而开关启动时会产生小量电阻。由于要输出大量电流，因此需要装设许多开关，令耗电量也相应大增。这个方案极少采用的原因亦在于此。
2.2 负载倾卸
第二个要面对的问题是负载倾卸 ，解决的方法则完全不同。以往美国国家半导体的客户都要求芯片必须设有过压保护功能。但目前越来越多汽车电子系统，例如驾驶盘动力操控系统，早在燃点引擎时便已开始操作，因此芯片必须能够在负载倾卸时正常运作。正因如此，美国国家半导体目前正为低压降稳压器系列的其中几个型号重新加设这个过压保护功能。大受欢迎的 LM9070、LM9071 及 LM9072 芯片便是设有这个功能的几款低压降稳压器。这些产品的型号之后都加上 HV 两个字母作为识别，以表示这是输入电压范围更为广阔的版本。
2.3 42伏供电总线
预计在未来几年内，新推出的汽车都会采用 42 伏 (V) 的供电总线。采用 42 伏供电总线的好处是可以减低汽车的耗电量及电缆的重量。但供电电压若提高至 42 伏，电源供应器的转换效率便会下降，结果是得不偿失。
2.3.1 42 伏 - 效率方面的考量
我们若利用 3.3 伏 (V) 的电池为电子系统提供所需的 100mV 供电，系统的实际功耗只有 330mW。低压降稳压器芯片若利用 12 伏电池的供电，那么即使不将静态电流计算在内，系统的整体功耗也不会少于 12V*100mA = 1.2W。以采用 42 伏电池的系统来说，系统功耗便相等于 42V*100mA = 4.2W。换言之，低压降稳压器若利用 42 伏的电池为电子系统提供稳压供电，其效率比利用传统的 12 伏电池低 3 倍以上。低压降稳压器的效率与输出电压/输入电压 (Vout/Vin) 成正比，其效率等于(Vout*Iout)/(Vin* (Iout+Iq))。但降压直流/直流转换器的转换效率会更高。LM2675 芯片若以 12 伏的输入电压操作，准确度可高达 90%，若以 40 伏的输入电压操作，准确度则高达 82%。LM5007 芯片的转换效率可高达 93%。
2.3.2 42 伏 - 功率耗散方面的考量
低压降稳压器芯片的效率很低，较易造成能源的浪费，而且所耗散的能量会积聚一起，令周围环境受热，以致芯片的接面温度也会随着上升。我们可以利用以下的公式计算出温度的大约上升幅度：
2.3.3 42 伏 - 可满足未来需要的芯片设计
审慎的系统设计工程师应该放眼将来，力求能满足未来一代的需要。他们应该由现在开始便挑选可以支持 42 伏电池的稳压器，以免几年后需要由零开始重新设计电源供应系统。LM2936HV 低压降稳压器芯片与 LM295X 开关稳压器芯片是专为 42 伏供电总线而设计的，这两系列稳压器芯片以及相关的全新零配件都在 这个网页上有详细的介绍。为方便进行重新设计，以便可以充分利用 42 伏供电总线的优点，系统设计工程师最好先征询芯片供应商的意见，看看供应商的芯片产品是否可以通过改造工程为 42 伏的新技术提供支持。
3 应用范围 - 气袋的电源供应系统
即使是小型的汽车目前都设有 6 个气袋，而且所采用的安全标准要求极高。负责为气袋充气的是一款称为爆发驱动器的特别芯片。这款确保汽车安全的芯片必须能够在撞车的紧急关头时立即启动。按照图 2 所示，气袋系统基本上由多个部分组成。
爆发驱动器设于车厢之内，而电池则设于车头盖之下。撞车时，爆发驱动器与电池之间的线路连系可能会因为撞击而断开，因此安全电容器一般会设于爆发驱动器的傍边，以便驱动器的附近有足够的储电可以提供动力，为气袋充气。
以下简单介绍气袋系统的充气过程。气袋系统设有升压转换器。一般来说，这些升压转换器都采用 sepic 或回扫配置。进行充气之前，气袋系统的升压转换器会先将电池电压 (Vbat) 提高 (这个电池电压在负载倾卸时可高达 40 伏)，直至达到安全电压 (Vsafe) 要求的水平，这样可确保安全电容器储存大量电能。之后，才将这个较高的安全电压调低至几伏，这个较低的电压称为远程电压 (Vremote)。这个充气准备程序必须严格依从，以确保其后几级的低压降稳压器出现较少压降。压降幅度越少，功率耗散也就越少，效率也就越高。
由于 Vremote 的数值较低，其后几级的低压降稳压器即使并不属于汽车级别的产品，其输入电压范围也可满足有关的要求。LP2985 系列芯片便属于这类的稳压器，其输入电压高达 16 伏，输出电流为 150mA，接面温度可高达 125度，适用于大部分的应用场合。
LM9076 稳压器芯片则适用于更高温的操作环境，其接面温度可高达 150度。这款稳压器可利用 8 伏的输入电压输出 150mA 的电流及 5 伏的电压。在额定的操作温度及负载范围内，这款稳压器芯片可以保持极高的输出电压准确度 (高达 2%)。由于这个结构采用了安全电容器，因此操作时更为安全可靠。从成本的角度看，采用远程低压降稳压器无需加设任何散热器，因此有助节省成本。由于 Vsafe大于Vbat (最高值)，而一级转换器可用作升压转换器，因此无需采用布局较为复杂的 sepic 或回扫式 的转换器。降压转换器适用于降压稳压器，后者成本也较低。由于低压降稳压器无需利用高压电源，因此有多种不同的 CMOS 或低电压双极芯片可供选择。
4 应用 - 有多个不同电压输出可供选择
我们若采用开关稳压器作为输入级，再以多个低压降稳压器提供输出，便可减低电源供应系统的整体成本。高功率的电源供应系统甚至必须采用这样的设计。图 4 是其中一个示例。
确定最理想的地区电压 (Vlocal) 时，必须详细考量以下各参数：
• Vlocal 必须低至可以确保低压降稳压器不会耗散太多功率。
• 只有在整体电压超过指定压降的情况下低压降稳压器才会将电压稳定下来，因此 Vlocal 必须比 Vx + VDox 高。
5 总结
电源供应器若采用恰当的设计，将有助减低系统开发的总体成本。若应用环境极为恶劣，例如在电池电压、输出电流以及温度等都处于极高水平的情况下，
本文将会集中讨论如何为汽车电子系统设计成本低廉的电源供应器，文中会深入讨论系统的设计 (及重新设计)、可靠性以及芯片成本等问题，并探讨有关问题的解决办法。
1 设计流程
美国国家半导体很早便已推出一套用途非常广泛的WEBENCH网上设计工具，以协助系统设计工程师设计电源供应器。自从这个网站面世以来，很多公司争相仿效。系统设计工程师即使对电源供应器的设计认识不深，也可将最高及最低输入电压、输出电压及电流、温度范围等设计参数输入 WEBENCH 网页，让网上的设计软件为他们挑选一些切合其设计需要的电源管理芯片。
系统设计工程师跟着可以从这些芯片之中挑选最切合他们需要的一款，其中包括最新推出内含电源开关及控制器的Simple Switchers系列开关稳压器芯片。芯片选定之后，WEBENCH 的设计软件接着会为工程师提供一个附有电路图的系统解决方案，以便工程师可以利用电路图进行模拟测试，以测试系统的电子特性以至其散热能力。
WEBENCH网上设计工具非常容易使用，系统设计工程师只要利用这套设计工具便可迅速完成电源供应器的设计。这个设计网站的数据库储存了数百款芯片的资料。所有设计工具都可支持多种不同的结构。工程师完成设计之后，可将整份设计传送给有关的同事或供应商以供他们参考。他们甚至可以在网上订购模板，供应商保证有关产品几日内便可送到客户手中。所需的分立元件也会跟模板一并寄出，工程师只需将分立元件焊在电路板上便可，这样可确保产品更快推出市场。
使用这套设计工具无需缴付非常昂贵的模拟测试授权费。由确定技术参数至电路布局的构思，整个设计过程都可获得支持。工程师可以挑选合适的芯片进行电子及热能方面的模拟测试。
系统设计工程师只要采用这套设计工具，便可节省设计及调试时间，换言之，这套设计工具可为公司节省更多开发成本。此外，许多公司虽然擅长设计数字系统，但对电源供应器的设计反而认识不深。以往他们可能需要聘请外面的顾问公司才可完成这方面的工作。但现在他们只要采用 WEBENCH 设计工具，便无需寻求外援，使这方面的开支也可节省下来。
2 新时代、新挑战
2.1 静态电流
汽车工业的发展一日千里，新的挑战不断涌现。例如，汽车电子系统所要求的静态电流标准也越趋严格。越来越多汽车制造商要求芯片供应商为他们提供静态电流低于 100uA 的 ECU 芯片。汽车厂商是有这个实际需要的，因为静态电流若果不够低，汽车在连续停泊数星期之后，车内的电池便会因多日不用而无法重新启动。解决这个问题的其中一个方法是缩短电池与 ECU 芯片之间的供电线路。但启动这个开关稳压器仍然会耗用一定的电量，因为开关稳压器采用金属氧化半导体 (MOS) 技术制造，而开关启动时会产生小量电阻。由于要输出大量电流，因此需要装设许多开关，令耗电量也相应大增。这个方案极少采用的原因亦在于此。
2.2 负载倾卸
第二个要面对的问题是负载倾卸 ，解决的方法则完全不同。以往美国国家半导体的客户都要求芯片必须设有过压保护功能。但目前越来越多汽车电子系统，例如驾驶盘动力操控系统，早在燃点引擎时便已开始操作，因此芯片必须能够在负载倾卸时正常运作。正因如此，美国国家半导体目前正为低压降稳压器系列的其中几个型号重新加设这个过压保护功能。大受欢迎的 LM9070、LM9071 及 LM9072 芯片便是设有这个功能的几款低压降稳压器。这些产品的型号之后都加上 HV 两个字母作为识别，以表示这是输入电压范围更为广阔的版本。
2.3 42伏供电总线
预计在未来几年内，新推出的汽车都会采用 42 伏 (V) 的供电总线。采用 42 伏供电总线的好处是可以减低汽车的耗电量及电缆的重量。但供电电压若提高至 42 伏，电源供应器的转换效率便会下降，结果是得不偿失。
2.3.1 42 伏 - 效率方面的考量
我们若利用 3.3 伏 (V) 的电池为电子系统提供所需的 100mV 供电，系统的实际功耗只有 330mW。低压降稳压器芯片若利用 12 伏电池的供电，那么即使不将静态电流计算在内，系统的整体功耗也不会少于 12V*100mA = 1.2W。以采用 42 伏电池的系统来说，系统功耗便相等于 42V*100mA = 4.2W。换言之，低压降稳压器若利用 42 伏的电池为电子系统提供稳压供电，其效率比利用传统的 12 伏电池低 3 倍以上。低压降稳压器的效率与输出电压/输入电压 (Vout/Vin) 成正比，其效率等于(Vout*Iout)/(Vin* (Iout+Iq))。但降压直流/直流转换器的转换效率会更高。LM2675 芯片若以 12 伏的输入电压操作，准确度可高达 90%，若以 40 伏的输入电压操作，准确度则高达 82%。LM5007 芯片的转换效率可高达 93%。
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图 1：LM2675 降压直流/直流转换器芯片的效率
2.3.2 42 伏 - 功率耗散方面的考量
低压降稳压器芯片的效率很低，较易造成能源的浪费，而且所耗散的能量会积聚一起，令周围环境受热，以致芯片的接面温度也会随着上升。我们可以利用以下的公式计算出温度的大约上升幅度：
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2.3.3 42 伏 - 可满足未来需要的芯片设计
审慎的系统设计工程师应该放眼将来，力求能满足未来一代的需要。他们应该由现在开始便挑选可以支持 42 伏电池的稳压器，以免几年后需要由零开始重新设计电源供应系统。LM2936HV 低压降稳压器芯片与 LM295X 开关稳压器芯片是专为 42 伏供电总线而设计的，这两系列稳压器芯片以及相关的全新零配件都在 这个网页上有详细的介绍。为方便进行重新设计，以便可以充分利用 42 伏供电总线的优点，系统设计工程师最好先征询芯片供应商的意见，看看供应商的芯片产品是否可以通过改造工程为 42 伏的新技术提供支持。
3 应用范围 - 气袋的电源供应系统
即使是小型的汽车目前都设有 6 个气袋，而且所采用的安全标准要求极高。负责为气袋充气的是一款称为爆发驱动器的特别芯片。这款确保汽车安全的芯片必须能够在撞车的紧急关头时立即启动。按照图 2 所示，气袋系统基本上由多个部分组成。
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图 2：气袋系统电路图
爆发驱动器设于车厢之内，而电池则设于车头盖之下。撞车时，爆发驱动器与电池之间的线路连系可能会因为撞击而断开，因此安全电容器一般会设于爆发驱动器的傍边，以便驱动器的附近有足够的储电可以提供动力，为气袋充气。
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图 3：气袋系统的电源分配结构 - 系统电路图
以下简单介绍气袋系统的充气过程。气袋系统设有升压转换器。一般来说，这些升压转换器都采用 sepic 或回扫配置。进行充气之前，气袋系统的升压转换器会先将电池电压 (Vbat) 提高 (这个电池电压在负载倾卸时可高达 40 伏)，直至达到安全电压 (Vsafe) 要求的水平，这样可确保安全电容器储存大量电能。之后，才将这个较高的安全电压调低至几伏，这个较低的电压称为远程电压 (Vremote)。这个充气准备程序必须严格依从，以确保其后几级的低压降稳压器出现较少压降。压降幅度越少，功率耗散也就越少，效率也就越高。
由于 Vremote 的数值较低，其后几级的低压降稳压器即使并不属于汽车级别的产品，其输入电压范围也可满足有关的要求。LP2985 系列芯片便属于这类的稳压器，其输入电压高达 16 伏，输出电流为 150mA，接面温度可高达 125度，适用于大部分的应用场合。
LM9076 稳压器芯片则适用于更高温的操作环境，其接面温度可高达 150度。这款稳压器可利用 8 伏的输入电压输出 150mA 的电流及 5 伏的电压。在额定的操作温度及负载范围内，这款稳压器芯片可以保持极高的输出电压准确度 (高达 2%)。由于这个结构采用了安全电容器，因此操作时更为安全可靠。从成本的角度看，采用远程低压降稳压器无需加设任何散热器，因此有助节省成本。由于 Vsafe大于Vbat (最高值)，而一级转换器可用作升压转换器，因此无需采用布局较为复杂的 sepic 或回扫式 的转换器。降压转换器适用于降压稳压器，后者成本也较低。由于低压降稳压器无需利用高压电源，因此有多种不同的 CMOS 或低电压双极芯片可供选择。
4 应用 - 有多个不同电压输出可供选择
我们若采用开关稳压器作为输入级，再以多个低压降稳压器提供输出，便可减低电源供应系统的整体成本。高功率的电源供应系统甚至必须采用这样的设计。图 4 是其中一个示例。
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图 4：可提供多个输出的配置
确定最理想的地区电压 (Vlocal) 时，必须详细考量以下各参数：
• Vlocal 必须低至可以确保低压降稳压器不会耗散太多功率。
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• 只有在整体电压超过指定压降的情况下低压降稳压器才会将电压稳定下来，因此 Vlocal 必须比 Vx + VDox 高。
5 总结
电源供应器若采用恰当的设计，将有助减低系统开发的总体成本。若应用环境极为恶劣，例如在电池电压、输出电流以及温度等都处于极高水平的情况下，