汽車SoC核心軌道的電源解決方案

MPS的Raghu Nathadi寫的這篇文章很不錯(cuò)，進(jìn)行摘錄。

●HPC 控制器的電源設(shè)計(jì)

自動(dòng)駕駛和高性能計(jì)算（HPC）化轉(zhuǎn)型在逐漸升溫，車企和一級供應(yīng)商（Tier 1s）正在與芯片企業(yè)（SoC）供應(yīng)商合作，提供算力，推動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展。中央計(jì)算機(jī)將由功能強(qiáng)大的SoC驅(qū)動(dòng)。這些SoC具有先進(jìn)的CPU和GPU功能，可以處理大量數(shù)據(jù)，并執(zhí)行允許車輛實(shí)時(shí)做出決策的復(fù)雜計(jì)算。這些SoC需要先進(jìn)的電源管理解決方案，特別是對于核心電壓軌道。

SoC核心軌道需要數(shù)百安培的電流，并且具有嚴(yán)格的瞬態(tài)性能和效率要求。服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心和人工智能（AI）應(yīng)用程序已經(jīng)使用了幾代強(qiáng)大的SoC和先進(jìn)的電源管理解決方案，汽車電源解決方案還面臨其他挑戰(zhàn)，例如提供AEC-Q100認(rèn)證和ASIL-D功能安全，同時(shí)保持與企業(yè)SoC解決方案相同的高效率、快速瞬態(tài)響應(yīng)、可配置性、可擴(kuò)展性、監(jiān)測和系統(tǒng)保護(hù)功能。

汽車SoCs

汽車SoCs的典型電源樹包括電池、電池保護(hù)和多個(gè)電源軌道。低功率軌道可以使用功率管理集成電路（PMICs）或離散的點(diǎn)對點(diǎn)（PoL）轉(zhuǎn)換器。高功率核心軌道需要專門的解決方案，因?yàn)樗鼈兙哂袊?yán)格的規(guī)格，以提供嵌入到SoC中的CPU和GPU所需的電源。此外，根據(jù)其架構(gòu)和性能規(guī)格，SoC可能需要超過一個(gè)核心軌道。本文將重點(diǎn)介紹SoC核心軌道的電源解決方案。

傳統(tǒng)的SoC核心軌道解決方案使用模擬脈寬調(diào)制（PWM）控制器、離散MOSFET和離散電流和溫度傳感電路，需要許多外部組件，會(huì)提高成本，降低汽車應(yīng)用的可靠性，并需要更大的PCB面積。使用數(shù)字多相控制器和單片式DrMOS功率級的SoC核心電源解決方案。DrMOS集成了門極驅(qū)動(dòng)IC、電流傳感電路和溫度傳感電路；這使得解決方案更簡單，消除了傳統(tǒng)解決方案所需的幾個(gè)外部組件。

DrMOS是一種單片電源設(shè)計(jì)，具有高功率密度、精確的電流感應(yīng)和精確的芯片內(nèi)溫度感應(yīng)，數(shù)字控制器提供了靈活性和可擴(kuò)展性，可以根據(jù)給定SoC核心軌道的電流等級配置相數(shù)。數(shù)字控制器不需要任何外部反饋環(huán)路補(bǔ)償，這簡化了設(shè)計(jì)工作，縮短了開發(fā)時(shí)間。DrMOS還具有非易失性內(nèi)存（NVM），可以配置和重新配置寄存器設(shè)置，最多可達(dá)1,000次，控制器和DrMOS提供了各種監(jiān)測和保護(hù)功能，可用于實(shí)施系統(tǒng)級遙測。

汽車SoC和電池

現(xiàn)代汽車有兩種12V電池選擇：鉛酸電池或鋰離子電池。鋰離子電池的最大輸出電壓（VOUT）高達(dá)20V，鉛酸電池在瞬態(tài)時(shí)可以達(dá)到40V的最大VOUT。

使用22V額定DrMOS產(chǎn)品的單級電源轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)，鋰離子12V電池的車輛可以直接在電池上使用22V的DrMOS，而無需預(yù)調(diào)節(jié)器將電池電壓轉(zhuǎn)換為SoC核心軌道電壓。這對于提高效率、減小PCB面積、降低成本和優(yōu)化電氣性能是一種理想的實(shí)現(xiàn)。

對于使用鉛酸電池的車輛，在負(fù)載轉(zhuǎn)儲(chǔ)或雙電池情況下，最大電壓可能達(dá)到40V。在這種情況下，將使用預(yù)調(diào)節(jié)器來限制DrMOS上的輸入電壓（VIN）的最大值為20V，以保護(hù)DrMOS在瞬態(tài)時(shí)期?？梢允褂妙A(yù)調(diào)節(jié)器作為電壓限制器。該預(yù)調(diào)節(jié)器可以以100%占空比運(yùn)行，在正常工作條件下，它只是一個(gè)提供>99%效率的傳遞，這意味著在電池電壓（VBATT）超過預(yù)設(shè)20V限制時(shí)，預(yù)調(diào)節(jié)器在電壓瞬變時(shí)限制DrMOS的VIN為20V的幾毫秒。

在電氣性能方面，使用預(yù)調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)與單級電源轉(zhuǎn)換類似，因?yàn)轭A(yù)調(diào)節(jié)器僅在VBATT瞬變超過20V時(shí)的瞬態(tài)期間處于活動(dòng)狀態(tài)。此外，在具有預(yù)調(diào)節(jié)器的情況下，總PCB面積仍然可以小于傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，后者使用高電壓離散FET和模擬PWM控制器進(jìn)行單級轉(zhuǎn)換。

使用兩級電源轉(zhuǎn)換的12V鉛酸電池供電汽車應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，第一級將VBATT轉(zhuǎn)換為5V或3.3V的中間總線電壓。第二級將中間總線電壓轉(zhuǎn)換為SoC核心軌道電壓，使用6V額定DrMOS設(shè)備。

兩級轉(zhuǎn)換需要額外的半導(dǎo)體器件，但與單級解決方案相比，對于低至中功率SoC核心軌道來說，總體SoC電源解決方案可能更小、更便宜。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須權(quán)衡所有因素，例如12V電池化學(xué)成分和SoC核心軌道功率規(guī)格，以選擇設(shè)計(jì)的最佳電源架構(gòu)。

使用數(shù)字多相控制器和單片式DrMOS功率級的簡化應(yīng)用原理圖。MPQ2977-AEC1數(shù)字，6相控制器配置為兩個(gè)輸出軌和每個(gè)軌的三個(gè)相。實(shí)施了一些監(jiān)測和保護(hù)功能，例如過電流保護(hù)（OCP）、過電壓保護(hù)（OVP）和過溫保護(hù)（OTP）。

●汽車分布式架構(gòu)供電

汽車計(jì)算架構(gòu)正在從分布式架構(gòu)演變?yōu)橛蓮?qiáng)大的SoC驅(qū)動(dòng)的集中式架構(gòu)。在中央計(jì)算中使用的SoC需要先進(jìn)的電源管理解決方案，特別是用于核心電壓軌道。傳統(tǒng)的電源解決方案不再適用于下一代中央計(jì)算功率應(yīng)用。在汽車SoC核心電源應(yīng)用中使用的電源管理解決方案、數(shù)字多相控制器和DrMOS功率級可以提供可擴(kuò)展、靈活、緊湊的高效電源解決方案和快速瞬態(tài)響應(yīng)。本文解釋了如何實(shí)現(xiàn)具有單級或兩級電源轉(zhuǎn)換的電源架構(gòu)。

編輯：黃飛

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