電動化、智能化、互聯化正成為汽車發展新趨勢,為提升燃油經濟性的啟停系統、為增加主動安全性的先進駕駛輔助系統(ADAS)、以及作為新一代智能交通基礎的駕駛信息系統等多個電子系統越來越多地被汽車設計人員所采用,多系統的集成在提升汽車駕乘體驗的同時,也為汽車電源設計帶來了挑戰。汽車電源須提供更高能效和更低能耗,以配合汽車產業的發展并符合各種環境法規及安全標準。
線性方案對比開關方案(SMPS)及設計考量
在電源轉換過程中不可避免地會發熱,穩壓器散熱會損失一部分功率,這樣輸出功率就不可能等于輸入功率。傳統的線性穩壓器在此過程中會耗散大部分能量,已無法滿足當前高功率需求類的應用。我們假定采用線性穩壓器時需要2.5W的額定功率,以及5V輸出電壓和0.5A輸出電流,那么需提供6W的輸入功率,能效(即輸出功率除以輸入功率的比值)僅為41%,損失高達59%!而同樣情況下,開關電源僅需2.8W的輸入功率,能效高達90%。
因此,設計工程師可采用開關電源提高系統能效,但是開關方案也有弊端,由于其復雜的反饋回路,外部元件較線性方案多且需要更多的PCB面積,再加上開關的性質導致其降噪性能差,在設計過程中需從反饋回路設計、外部元件數、PCB面積、瞬態電流及電磁干擾等方面考慮,以減輕其弊端。
1. 反饋回路設計
為匹配輸出阻抗的后穩壓器選擇合適的負輸入電阻以避免振蕩,達到穩壓輸出的目的;
有效使用仿真工具以了解頻域中的頻率補償;頻率補償可通過選擇單極響應控制方案來實現。
2. 外部元件數
集成的電源開關可減小布線尺寸,功耗比板外電源開關更低,且更易于設計。
3. 線路板面積
減小電感和電容的尺寸,占板面積得以減小,且開關頻率增加,使能效得以提升,同時減弱PCB電磁輻射和電磁干擾。但需注意盡量使導通和開關損耗最小化,降低噪聲。
4. 瞬態電流
將線性穩壓器和開關電源并聯,可減小瞬態電流,稱為混合開關電源;且可根據線路負載情況,以恒定的開和關條件進行脈沖頻率調制。
5. 電磁干擾
減少回路面積,優化PCB布局,從而減弱電路間的干擾;
避免由穩壓器和系統環境產生的敏感頻段;
采用擴頻調制技術、決定光譜含量和去耦方案降低排放峰值。
在汽車應用中,還需考慮到電源管理模塊不斷增長的復雜性,要求處理更高電流情況的能力、低轉儲、雙電池轉移乃至需要最小工作電流等等,為系統選擇合適的高能效電源方案。