[经验] 设计汽车电源时需考虑的问题

选择汽车电源集成电路时，常常忽视的不是数据表上的规格，而是元器件在最终设计中的工作方式。这是因为数据表中涵盖了集成电路的性能，但并没有说明元件如何在闭环系统中工作，以及如何与系统中的其他元件相互作用。在为汽车设计选择前端电源时，这一点显得尤为重要。与电池直接连接的电源需要效率高、尺寸小而且非常安静。为什么要这样呢？

TI的新型LM53635-Q1稳压器不仅仅是一个转换器，它还是采用对恶劣环境敏感的先进处理器和传感器将变速箱、引擎和制动等汽车电动机械系统嘈杂、恶劣环境与高度复杂的电子控制单元（ECU）连接起来的电源调节电路。前端电源还需要管理双电池和负载突降等故障和用户情况。本文将说明在设计汽车电源时需考虑哪些问题，以及为了更好地管理挑战需要为设计添加哪些功能。本文还将介绍TI的新产品36V、2.1MHz同步降压稳压器。

一辆现代汽车上有许多节约燃油的功能；其中一项功能就是启停操作。当汽车排队等候或者等红绿灯时，汽车停下会激活启停功能，关闭发动机以节约燃油。另一种称为冷启动的情况会对系统造成相似的电子负载。发动机的启动会对系统产生很大的负载，引起电池电压的下降。

在启停或冷启动的情况下，电压会突然大幅下降，使降压转换器失去作用。在一些情况下，或许要在电路中使用升压转换器来支持系统。如果设计的电源支持电压突然降低，就可以节省升压的支出，以及与增加的元件相关的成本、空间和功耗。

接近100%的占空比、非工作时间非常短和低导通电阻高端场效应晶体管(FET)电阻的组合使得LM53635-Q1（见图1）能够在满负载和全工作温度范围条件下支持电压降至0.6V以下，同时为下游电源保持稳压功能，而不增加设计的复杂程度。

图1：LM53635-Q1电压降

由于汽车中使用的线束日益复杂、系统中的ECU节点数量不断增加等原因，提供低电磁干扰（EMI）的电源变得更加重要。每一个线束和ECU都会产生在汽车周围传播的噪声，影响其他应用。考虑到安全应用数量不断增加，低电磁干扰功能也备受期待。TI在设计LM53635-Q1时采用了几项技术来降低电磁干扰。

一项技术是根据LM53635-Q1调节和过滤使用的被动元件的最佳位置进行设计封装布局。如图2所示，使用的引脚使得高频输入电容（在开关节点两侧接地）呈对称分布，GND与开关之间产生的电感降低，从而去除噪声。

图2：高频CIN电容位置

另外，以特定的方式进行封装，能够去除封装内部的寄生回路电感和电容，降低开关节点振铃噪声，开关节点振铃是产生噪声的主要原因（见图3）。如果能在源头上降低噪声，则无需解决增加元件引起的问题。

图3：LM53635-Q1的开关节点

降低系统噪声的另一项技术是展频，展频能够调节中心开关频率（此案例中为2.1MHz），抑制谐波和子谐波。展频，正如其名称所示，对降低整体噪峰非常有效，但不会影响噪底。但是，因为展频能够处理高频谐波，有助于满足通常非常严格的原始设备制造商（OEM）的电磁干扰标准，使印刷电路板设计更简单，降低滤波元件的尺寸和成本。

图4为30MHz至108MHz频带的LM53635-Q1，左图为展频关闭，右图为展频开启。

为满足CISPR25第5类限制（最严格的规范）而消除300MHz至108MHz电磁干扰

图4：使用展频抑制高频谐波

需要克服的主要挑战之一是因空间限制和周围环境造成的发热问题。今天许多汽车设计常常集成到用于机械功能的已有的外形和尺寸当中，或仅仅集成到汽车设计的空闲空间中。后视镜就是一个很好的例子。在过去，后视镜是手动操作的简单设备，但现在却集成了越来越多的电子器件，实现照相机等新功能。考虑到太阳照射热和后视镜的外壳材料（通常是塑料），印刷电路板上电子器件的温度能达到105℃。电源要小到能够管理集成的电子器件，同时还需要具备很高的效率，不会引起自身发热。TI设计的LM53635-Q1效率高，能够降低损耗，并以2.1MHz频率工作，让电源所需其他元件的尺寸尽可能小，从而管理热量和尺寸问题。参见图5。

图5：LM53635-Q1以2.1MHz工作时的效率

保持质量对于汽车设计至关重要，在设计安全相关系统时尤其如此。可焊性往往是可靠性的问题之一。为了提高焊缝质量，可以使用多项技术；其中一项技术为可润湿侧翼。参见图6。可润湿侧翼是在封装边沿切割出空腔的工艺，使得引脚侧能够进行更多可视润湿，便于光学检测。该技术非常有用，因为无需对封装进行X射线检测即可确保焊接充分，同时保障了焊缝的完整性。

图6：LM53635-Q1使用的可润湿侧翼工艺

正如本博文前面强调的，在设计汽车电源时还需要考虑很多问题，需要考虑为设计增加哪些功能使所面临的挑战更易于管理。只有理解这些问题后，才能实现更快速的设计、更小的解决方案和更低的成本。