汽車電源管理系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)：這道必答題，該如何解？

如果將今天的智能汽車看成是一個(gè)“生物”，那么汽車電子設(shè)備的電源管理系統(tǒng)，就像是這個(gè)“生物”的心血管系統(tǒng)，為其提供運(yùn)轉(zhuǎn)所需的能量。不過和自然界中真實(shí)的生物不同，汽車這個(gè)物種進(jìn)化得太快了，隨著其功能的不斷發(fā)展，對于“心血管”造成的壓力可想而知。因此，新一代汽車電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，也是勢在必行。

眾所周知，汽車電子的諸多功能是由遍布車身的電子控制單元（ECU）實(shí)現(xiàn)的，ECU除了要提供動(dòng)力和駕控等汽車作為交通工具的“傳統(tǒng)藝能”，更是實(shí)現(xiàn)ADAS、信息娛樂主機(jī)、智能儀表盤等快速增長的車載智能化功能的關(guān)鍵。據(jù)分析，高端汽車中集成有近百個(gè)ECU。

想要確保這么多ECU可靠而安全地運(yùn)轉(zhuǎn)，為每個(gè)ECU“架設(shè)”專用的電源管理鏈路，使其能夠從汽車電池中獲取電力，顯然是必不可少的工作。而在這個(gè)過程中，一個(gè)突出的挑戰(zhàn)在于：ECU數(shù)量在增加，相應(yīng)地電源管理系統(tǒng)會(huì)變得越來越復(fù)雜，而汽車的空間是有限的。因此，應(yīng)對這樣的挑戰(zhàn)，如何進(jìn)行汽車電源管理系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)，也就成了一個(gè)繞過不去的必答題。

汽車電源管理小型化設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

當(dāng)然，“小型化”三個(gè)字說說容易，做起來并不簡單。這是因?yàn)榕c其他的應(yīng)用相比，汽車電源管理面對的約束條件更多，需要權(quán)衡的技術(shù)要素也更全面。

首先，在不影響性能的前提下，用集成度更高的解決方案替代分立器件方案，肯定是優(yōu)先考慮的方法。因此，能夠提供多路電源軌輸出，為多個(gè)用電單元供電的車用PMIC，會(huì)更受開發(fā)者的青睞。

其次，隨著單臺(tái)車輛上汽車電子設(shè)備數(shù)量的增加，也需要汽車管理器件有能力支持更高功率、更大電流的應(yīng)用。而在某些應(yīng)用中，特別是一些高性能的SoC，對于電壓軌的電壓精度等指標(biāo)會(huì)有更特殊的要求。這都要求車用電源管理器件，在性能上有相應(yīng)的提升和優(yōu)化。

再有，受汽車空間所限，車載電子產(chǎn)品受到的“熱約束”也更大。這就要求電源管理系統(tǒng)在提升效率上精益求精、錙銖必較，盡可能減少熱損耗，簡化熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

同時(shí)，狹小的空間也會(huì)增加EMI防護(hù)和治理方面的挑戰(zhàn)，而在電源管理中廣泛使用的開關(guān)穩(wěn)壓器本身就是一個(gè)“噪聲源”，因此需要從器件級和系統(tǒng)級兩個(gè)方面著手，應(yīng)對EMI的問題——這不僅僅是產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)的需要，更是相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制要求，不容馬虎。

此外，汽車應(yīng)用在可靠性和安全方面的高標(biāo)準(zhǔn)，也會(huì)體現(xiàn)在電源產(chǎn)品的設(shè)計(jì)上，在小型化的同時(shí)，確保電源管理方案達(dá)到相應(yīng)的功能安全等級，也是必不可少的技術(shù)考量。

上述諸多技術(shù)因素的影響，使得工程師在設(shè)計(jì)小型化的汽車電源管理系統(tǒng)時(shí)，對于相關(guān)芯片解決方案的選型會(huì)更加“挑剔”，能夠成為他們心頭好的電源管理器件，一定需要具備過硬的實(shí)力以及與眾不同的優(yōu)勢。接下來，本文將帶大家認(rèn)識(shí)這樣幾款Analog Devices出品的車用電源管理器件。

高集成方案，減小占板面積

以汽車中的ADAS高級輔助駕駛系統(tǒng)為例，為了實(shí)現(xiàn)更高級別的駕駛自動(dòng)化，提供更佳的用戶體驗(yàn)，ADAS系統(tǒng)中通常會(huì)采用包括毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)和攝像頭模塊在內(nèi)的多種環(huán)境傳感器，每種傳感器的數(shù)量也不止一個(gè)，以增強(qiáng)對環(huán)境的感知能力。

在傳統(tǒng)的方案中，為單個(gè)環(huán)境傳感器供電（以毫米波雷達(dá)中的單片MMIC為例），需要包括多個(gè)電壓調(diào)節(jié)器、監(jiān)視器和看門狗IC在內(nèi)的六個(gè)分立的器件（如圖1）。這樣的方案可能會(huì)占掉一個(gè)傳感器模塊PCB上一半以上的面積，這顯然會(huì)讓核心的功能設(shè)計(jì)捉襟見肘，處處受制。

圖1：基于分立器件的雷達(dá)ECU電源管理方案

（圖源：Analog Devices）

為此，Analog Devices提出了一種基于高集成度PMIC的雙芯片解決方案（如圖2），大大減少了電源管理系統(tǒng)的占板面積，為其他的功能電路釋放出充足的設(shè)計(jì)空間。

圖2：基于PMIC的雷達(dá)ECU電源管理方案

（圖源：Analog Devices）

由上圖可見，該方案包括兩個(gè)核心電源管理器件：

• 前端是一個(gè)高壓降壓轉(zhuǎn)換器（HV BUCK），其作用是將電池電壓降至3.3V；

• 后端是一個(gè)高密度、低電壓的PMIC，其集成有多路的電壓調(diào)節(jié)器，包括降壓調(diào)節(jié)和升壓調(diào)節(jié)，以產(chǎn)生高精度的電壓軌輸出，為功能模塊中的用電負(fù)載供電。

架構(gòu)優(yōu)勢

這種架構(gòu)一方面可以顯著優(yōu)化電源管理系統(tǒng)的尺寸，賦能產(chǎn)品的小型化設(shè)計(jì)，另一方面也有利于方案的可擴(kuò)展性，開發(fā)者可以根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的需要，分別選擇更為合適的高壓降壓轉(zhuǎn)換器和低壓PMIC，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的方案。

Analog Devices也為支持這一架構(gòu)，提供了豐富的產(chǎn)品組合。

MAX20014

后端低壓PMIC

在后端低壓PMIC方面，MAX20014是一個(gè)應(yīng)用范圍很廣的解決方案。MAX20014是一個(gè)高效、三路輸出的低壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，其中一路同步升壓轉(zhuǎn)換器輸出，將輸入電壓升壓到8.5V，輸出電流高達(dá)750mA；而兩路同步降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為3.0V至5.5V，提供0.8V至3.8V的輸出電壓，負(fù)載電流可達(dá)3A。在整個(gè)負(fù)載范圍，以及器件的工作溫度范圍內(nèi)，MAX20014都能夠提供較高的精度（升壓轉(zhuǎn)換器精度可達(dá)±2%，降壓轉(zhuǎn)換器的精度可達(dá)±1.5%）。

除了本身的高集成度，由于MAX20014的工作頻率高至2.2MHz，因此允許使用外形更小的全陶瓷電容，使得外圍元件占位面積更小。

在效率方面，MAX20014可以工作在2.2MHz固定頻率脈寬調(diào)制（PWM）模式可提供更好的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)；其也可工作在脈沖頻率調(diào)制模式（SKIP），確保輕載下的高效工作。由于集成了低R_DS(ON)開關(guān)，因此相對于分立式方案，MAX20014也大大提高了重負(fù)載時(shí)的效率。

此外，MAX20014采用可編程擴(kuò)頻調(diào)制，可有效抑制EMI電磁輻射。器件還提供預(yù)設(shè)的固定或電阻可調(diào)節(jié)輸出電壓、軟啟動(dòng)、過流和過熱保護(hù)等功能，可以說是一位各方面實(shí)力都不俗的“六邊形戰(zhàn)士”。

圖3：MAX20014升壓和雙通道降壓轉(zhuǎn)換器框圖

（圖源：Analog Devices）

MAX20408

前端高壓降壓轉(zhuǎn)換器

在前端的高壓降壓轉(zhuǎn)換器的選擇上，具有10μA靜態(tài)電流和雙相能力的汽車級36V、8A全集成降壓轉(zhuǎn)換器MAX20408是一款值得推薦的產(chǎn)品。

作為一款小型同步降壓轉(zhuǎn)換器，MAX20408集成了高側(cè)和低側(cè)開關(guān)，可在3V到36V的寬輸入電壓范圍內(nèi)提供高達(dá)8A的電流。其還具有雙相功能，可將兩個(gè)IC配置為主機(jī)和從機(jī)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)電流共享和180°錯(cuò)相操作，這樣一來可支持的電流將成倍增加，達(dá)到16A。這種大電流能力，非常有利于為下游更豐富的功能模塊提供充沛的電力，以簡化整體系統(tǒng)BOM。

圖4：MAX20408汽車級全集成降壓轉(zhuǎn)換器框圖

（圖源：Analog Devices）

2.1MHz和400kHz的高開關(guān)頻率選項(xiàng)，使得MAX20408同樣支持外部元件的小型化，同時(shí)可減少輸出紋波并確保無AM干擾。擴(kuò)頻選項(xiàng)也有助于進(jìn)一步減少EMI輻射。

MAX20408可編程的FSYNC輸入支持三種不同的工作模式，包括強(qiáng)制PWM模式、超低靜態(tài)電流的跳躍模式以及與外部時(shí)鐘的同步模式，有利于性能的優(yōu)化。其電壓質(zhì)量可以通過觀察PGOOD信號(hào)來監(jiān)測，并可以在99%占空比低壓差下運(yùn)行，非常適合于汽車和工業(yè)等高可靠性應(yīng)用。

圖5：MAX20408可為后端電路提供充足電力

（圖源：Analog Devices）

多路電源監(jiān)控器，確保功能安全

越來越多汽車電子設(shè)備的部署，除了要考慮性能和功能方面的要求，還有一個(gè)必不可少的技術(shù)考量，這就是功能安全，其作用是確保車輛中電氣安全相關(guān)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致安全系統(tǒng)的故障或風(fēng)險(xiǎn)。這在車載應(yīng)用中是至關(guān)重要的。

汽車電子系統(tǒng)所需的功能安全級別，以系統(tǒng)的ASIL（汽車安全完整性級別）評級來定義，由低到高分為從A到D四個(gè)級別。想要達(dá)到所需的ASIL級別，通常有兩種方法：一種方法是使用集成了相關(guān)功能、本身符合ASIL的IC，采用這種方法BOM更簡化，當(dāng)然單顆物料的成本也會(huì)更高些；另一種方法是使用監(jiān)控電路來提供系統(tǒng)達(dá)標(biāo)所需的檢測、診斷和驗(yàn)證等功能，這種方案通常具有更大的設(shè)計(jì)靈活性。

在汽車電源管理領(lǐng)域，無論采用哪種方法，都面臨著小型化的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。以ADAS系統(tǒng)為例，通常需要對其核心SoC進(jìn)行電壓監(jiān)控和執(zhí)行監(jiān)控，以確保系統(tǒng)的正常工作。這個(gè)過程中，核心SoC需要執(zhí)行多個(gè)復(fù)雜算法來將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為邏輯響應(yīng)，需要看門狗IC來確保正確執(zhí)行。這些復(fù)雜算法需要SoC內(nèi)集成的不同功能模塊（如主處理器外圍電壓、處理器內(nèi)核、存儲(chǔ)器和外設(shè)）共同來完成。在主SoC之外，整個(gè)系統(tǒng)中還可能會(huì)有其他微控制器控制的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動(dòng)響應(yīng)……所用這些都需要不同的電源軌供電，而為了滿足功能安全要求，則需要對每個(gè)電源軌都進(jìn)行電壓監(jiān)控。這時(shí)，一個(gè)高集成度的電源監(jiān)控解決方案就顯得十分必要了。

MAX20480是符合ASIL標(biāo)準(zhǔn)的SoC電源系統(tǒng)監(jiān)測器，可支持多達(dá)7路電壓監(jiān)測輸入，每路輸入均具有可編程OV/UV門限（介于2.5%至10%之間），精度為±1%。其中兩路輸入具有獨(dú)立的遠(yuǎn)端地檢測輸入，通過集成I²C接口支持DVS。

MAX20480包含可編程靈活上電順序記錄器（FPSR），該記錄器可獨(dú)立儲(chǔ)存上電和斷電時(shí)標(biāo)，支持開/關(guān)和休眠/待機(jī)電源排序。MAX20480還包含可編程質(zhì)詢/應(yīng)答看門狗，可通過I²C接口訪問，同時(shí)還包括可編程低電平有效RESET輸出。

顯而易見，與獨(dú)立IC或分立式元件相比，MAX20480在提高可靠性的同時(shí)大大降低了所需元件的數(shù)量，減少了系統(tǒng)尺寸，與監(jiān)控控制器配合使用時(shí)，MAX20480可滿足ASIL-D可靠性標(biāo)準(zhǔn)的要求，提供了一種小型化的設(shè)計(jì)解決方案，在ADAS、駕駛員和乘客監(jiān)控系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng)、智能座艙等新興車載應(yīng)用中都能夠大顯身手。

圖6：MAX20480電源系統(tǒng)監(jiān)測器

（圖源：Analog Devices）

本文小結(jié)

越來越豐富的汽車電子功能，推動(dòng)著相關(guān)電子設(shè)備小型化的設(shè)計(jì)趨勢。而這種小型化的設(shè)計(jì)要求具體到為每個(gè)ECU供電的電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，就面臨著諸多挑戰(zhàn)。以往開發(fā)者不得不在諸多設(shè)計(jì)要求之間進(jìn)行權(quán)衡取舍，難于達(dá)到理想的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

好消息是，Analog Devices提出了一種理想的雙芯片汽車電源系統(tǒng)架構(gòu)，并提供了豐富的產(chǎn)品組合，以滿足不同車載應(yīng)用電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。如果你想了解更多的技術(shù)信息，探索更多的可能性，請?jiān)L問貿(mào)澤電子官網(wǎng)中相關(guān)的技術(shù)專題頁面，你一定會(huì)收獲滿滿。

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