【導讀】汽車技術的進步大大增加了現代汽車中的電子內容，以便提高安全性，改善駕駛體驗，豐富娛樂功能，并使電力和能源多樣化。我們持續投入工程資源來改善汽車市場的電源管理解決方案。這種努力在技術上結出了累累碩果，推動電源效率、緊湊性、魯棒性和EMI性能取得顯著進步。
在惡劣條件下，汽車應用電源必須能夠無故障運行——設計人員必須考慮所有的緊急情況，包括拋負載、冷啟動、蓄電池極性接反、雙蓄電池跨接、尖峰箝位和LV124、ISO7637-2、ISO17650-2、TL82066定義的其他瞬變狀態，以及機械振動、噪聲、極寬的溫度范圍等。本文主要討論汽車電源規范的關鍵要求以及滿足汽車規范的解決方案，包括：
● 汽車輸入瞬變
● 輸入電壓范圍
● 輸出電壓/電流
● 低靜態電流(IQ)
● 電磁干擾(EMI)
本文展示了幾個示例解決方案，說明了高性能器件組合如何輕松解決汽車電源難題。
惡劣的汽車環境
圖1顯示了一個完整的電源解決方案，其滿足汽車應用的苛刻要求。在前端，LT8672充當理想二極管，保護電路免受引擎蓋下殘酷環境的影響，防止發生破壞性故障，例如極性接反。理想二極管之后是一系列低靜態電流(IQ)降壓型穩壓器，它們具有寬輸入范圍——工作電壓從低至3V到高達42V——可為內核、I/O、DDR和外設需要的其他電源軌提供穩定電壓。
圖 1. ADI 滿足汽車電子瞬變抗擾度要求的 ADI Power 解決方案概覽
這些穩壓器具有超低靜態電流，可延長永遠在線系統的電池運行時間。低噪聲電源轉換技術最大限度地減少了耗資不菲的降低EMI的需求，并縮短了滿足嚴格汽車EMI標準的設計和測試周期。對于許多必須穿越冷啟動事件的關鍵功能，LT8603多通道低IQ降壓型穩壓器內置預調節升壓控制器，可實現具有至少三個穩壓電壓軌的緊湊型解決方案。LT8602可提供四個穩壓電壓軌來滿足許多高級駕駛輔助系統(ADAS)應用的需求，例如碰撞預警、緩沖剎車和盲點監視。
圖2顯示了一個傳統汽車電氣系統，其中發動機驅動交流發電機。交流發電機本質上是一個三相發電機，其交流輸出由一個全二極管電橋整流。此整流器的輸出用于為鉛酸電池充電，并 為12V電路和設備供電。典型負載包括ECU、燃油泵、制動器、風扇、空調、音響系統和照明。越來越多的ADAS被添加到12總線，包括外設、I/O、DDR、處理器及其電源。
圖 2. 汽車中的典型電氣系統
電動汽車在一定程度上改變了上述畫面。發動機被電動機代替，DC-DC轉換器將400V高壓鋰離子(Li-Ion)電池組電壓轉換為12V，而不是交流發電機。然而，傳統的12V交流發電機設備以及其瞬態脈沖(包括快速脈沖)仍然存在。
發動機在很窄的轉速范圍內以峰值效率運行，因此在大多數情況下(下面會有更多說明)，交流發電機的穩態輸出和電池電壓相對穩定，比如大約為13.8V。每個直接由汽車電池供電的電路必須在9V至16V的范圍內可靠運行，但魯棒的汽車電子設計也必須能在異常情況(這在最麻煩的時候不可避免地會發生)下運行。
雖然交流發電機的輸出名義上是穩定的，但其穩定性并未達到無需調理便可為車輛其他系統供電的程度。意外的電壓尖峰或瞬變對下游電子系統有害，如果處理不當，可能會導致這些系統發生故障或造成永久性損壞。在過去幾十年中，為了定義汽車電源所面對的尖峰和電壓瞬變，并設定設計的預期目標，出現了許多汽車標準，例如ISO7637-2、ISO16750-2、LV124、TL82066。
有源整流器控制器LT8672
● AEC-Q100通過汽車應用認證
● 反向輸入保護可達-40V
● 與肖特基二極管相比，改進了性能
（1）將功耗降低>90%
（2）將壓降降至20mV
● 超快瞬態響應
（1）整流6VP-P高達50kHz
（2）整流2VP-P高達100kHz
● 寬工作電壓范圍：3V至42V
● 工作模式下的低20µA靜態電流
● 低3.5µA關斷電流
● 精確的1.21V使能引腳閾值
● 小型10引腳MSOP封裝、10引腳3mm × 2mm DFN封裝和3mm × 2mm側可濕DFN封裝
最重要且最具挑戰性的高壓瞬變之一是拋負載。在汽車電子中，拋負載是指在電池充電時車輛電池與交流發電機斷開連接。在拋負載瞬變期間，由于時間常數很大，交流發電機的勵磁場仍會很高——即使沒有負載，交流發電機仍然輸出高功率。電池是一個大電容，通常會吸收額外的能量，但當端子松動或其他問題導致電池斷開連接時，它就無法再提供這項服務。因此，所有其他電子設備都會看到電壓浪涌，必須能夠承受拋負載事件。一次未受抑的拋負載事件可以產生100V以上的電壓。慶幸的是，現代汽車交流發電機使用雪崩額定整流二極管，拋負載電壓被限制在35V——這與常態相比仍有很大偏離。拋負載事件最長可持續400ms。
另一種高壓事件是跨接啟動。一些拖車使用兩個串聯電池來確保跨接啟動有效，激活汽車電量耗盡的電池，因此汽車的電路必須能夠承受雙倍標稱電池電壓(28V)幾分鐘。很多高壓降壓型穩壓器，如Silent Switcher® 和Silent Switcher2系列，包括LT8650S和LT8640S，工作電壓最高可達42V，超出了上述要求。相比之下，額定電壓較低的器件則需要箝位電路，這會增加成本并降低效率。某些穩壓器，例如LT8645S 和LT8646S，額定電壓為65V，支持卡車和飛機應用(其中24V系統是標準配置)。
表1. 支持汽車應用的Silent Switcher和Silent Switcher 2單片降壓型穩壓器
當駕駛員發動汽車時，起動器會從電池汲取數百安培的電流，因而又會發生一次電壓瞬變。這會在短時間內拉低電池電壓。對于傳統汽車，只有當汽車由駕駛員啟動時才會發生這種情況；例如，啟動汽車開到超市，然后再次啟動開回家。現代汽車具有啟停功能以節省燃料，在往返超市的行程中，可能會多次發生啟停事件——例如每遇到一個停車標志和每遇到一個紅燈。與傳統汽車相比，額外的啟停事件給電池和起動器帶來的壓力大大增加。
圖 3. LT8672 響應電池極性接反
此外，如果在寒冷的早晨啟動汽車，起動器汲取的電流要大于環境溫度較高時汲取的電流，電池電壓降至3.2V或更低并持續大約20ms——這稱為冷啟動。即使在冷啟動條件下，有一些功能也必須保持有效。好消息是，此類關鍵功能在設計上通常不需要很大的功率。集成解決方案，例如多通道轉換器LT8603，即使其輸入電壓降至3V以下也能保持穩壓。
ISO7637-2和TL82066定義了許多其他脈沖。有些不僅具有較高的正電壓或負電壓，還有較高的源阻抗。與上述事件相比，這些脈沖的能量相對較低，并且可以通過適當選擇輸入TVS進行濾波或箝位。
理想二極管滿足汽車抗擾度規范
有源整流控制器LT8672,具有高輸入電壓額定值(+42V、-40V)、低靜態電流、超快瞬態響應速度、超低外部FET壓降控制等特性，可在12V汽車系統中提供保護，其功耗極低。
電池極性接反
每當電池端子斷開連接時，汽車電池極性就有可能因失誤而接反，電子系統可能會因負電池電壓而受損。阻塞二極管通常與電源輸入串聯以防止電源反向，但阻塞二極管會有壓降，導致系統效率低下并降低輸入電壓，尤其是在冷啟動期間。
LT8672是無源二極管的理想替代品，可保護下游系統免受負電壓影響，如圖3所示。
在正常情況下，LT8672控制外部N溝道MOSFET，形成理想二極管。GATE放大器檢測DRAIN和SOURCE，驅動MOSFET柵極，將正向電壓調節至20mV。在負載階躍和過壓情況下，D1在正方向上保護SOURCE。當輸入端出現負電壓且SOURCE變為負值時，GATE被拉至SOURCE，關斷MOSFET并將DRAIN與負輸入隔離。憑借快速下拉(FPD)功能，LT8672可以快速關斷外部MOSFET。
圖 4. LT8672 對極性接反的響應波形
疊加交流電壓
電池軌上的常見干擾是疊加的交流電壓。這種交流分量可以是整流交流發電機輸出的偽像，或者是高電流負載(例如電動機、燈泡或PWM控制的負載)頻繁切換的結果。根據汽車規范ISO16750和LV124，ECU可能會受其電源上疊加的交流紋波(頻率可達30 kHz，幅度可達6Vp-p)的影響。在圖5中，高頻交流紋波疊加在電池線路電壓上。典型的理想二極管控制器的響應速度太慢，但LT8672能產生高達100kHz的高頻門控脈沖，可根據需要控制外部FET來抑制這些交流波紋。
圖 5. LT8672 對疊加交流電壓的響應波形
LT8672抑制電源軌上常見交流成分的獨特能力，是其快速上拉(FPU)和快速下拉(FPD)控制策略及其強大的柵極驅動能力的結果，柵極驅動器由集成升壓型穩壓器供電。與電荷泵柵極電源解決方案相比，該升壓型穩壓器使LT8672能夠保持穩定的11V電壓，外部FET保持導通，同時提供很大的柵極拉電流來降低高頻交流紋波整流的開關損耗。其50mA拉電流能力支持FET的超快速導通，使功耗最低；其300mA灌電流能力支持快速關斷，使反向電流傳導最小。此外，這還顯著降低了輸出電容中的紋波電流。疊加交流電壓的典型整流波形如圖6所示。
圖 6. LT8672 對疊加交流電壓的響應波形
此外，與相同負載條件下的傳統肖特基二極管解決方案相比，LT8672有效降低了傳導損耗。如圖7的熱圖像所示，使用LT8672的解決方案比傳統的基于二極管的解決方案溫度要低近20°C。它不僅提高了效率，而且無需大型散熱器。
汽車電子系統輸入端出現的高峰值窄脈沖通常有兩個來源：
● 在串聯或并聯了感性負載的情況下斷開輸入電源
● 負載的切換過程影響線束的分布電容和電感。
圖 7. 熱性能比較
其中的某些脈沖可能有高電壓峰值。例如，ISO7632-2中定義的脈沖3a是峰值電壓超過-220V的負尖峰，而脈沖3b的最大峰值電壓為150V加上電池的初始電壓。雖然它們有很大的內部阻抗和非常短的持續時間，但如果遇到這些脈沖，下游電子設備很容易損壞。
為了抑制這種尖峰，前端安裝了兩個大小合適的TVS。事實上，一些低能量脈沖可以由輸入電容和寄生線電感的濾波器效應直接吸收。
圖 8. LV 124 中定義的 12 V 系統的嚴重冷啟動事
圖 9. 冷啟動事件
多軌穩壓器穿越冷啟動事件
LT8602是一種緊湊型解決方案，可提供多達四個穩壓軌(例如5V、3.3V、1.8V、1.2V)，輸入電壓范圍為5V至42V，適用于冷啟動期間不一定需要開啟的功能。對于冷啟動期間也必須運行的功能，例如火花塞控制器或報警，應使用LT8603之類的解決方案，其輸入電壓可低至3V(或更低)。
LV124定義了冷啟動的最壞情況，如圖8所示。它指出，在汽車啟動時，最低電池電壓可以低至3.2V并持續19ms。當面臨傳統(非理想二極管)解決方案中電池反向保護引起的額外二極管壓降時，該規范要求應用以低至2.5V的電壓保持運行。無源二極管保護方案可能需要降壓-升壓穩壓器，而不是復雜度更低、效率更高的降壓型穩壓器，以提供許多微控制器常常需要的穩定3V電源。
LT8672控制器的最小輸入工作電壓為3V VBATT, 支持有源整流器以輸入和輸出之間的最小壓降(20mV)穿越冷啟動脈沖。冷啟動期間的下游電源輸入電壓不低于3V，這樣便可使用最小工作電壓為3V且有低壓差特性的降壓型穩壓器(如LT8650S)來產生3V電源。
同LT8650S一樣，ADI許多汽車IC的最小額定輸入電壓為3V。
圖9比較了采用LT8672和采用傳統二極管的1.8V電源。降壓型穩壓器工作電壓低至3V。如圖所示，采用傳統二極管時，當電池電壓 VBATT 降至3.2V時，降壓穩壓器的VIN降至2.7V左右，原因是二極管的高壓降觸發下游開關穩壓器UVLO關斷，其1.8V輸出崩潰。相比之下，LT8672輸出電壓在冷啟動期間幾乎保持恒定，下游降壓穩壓器能夠保持1.8V輸出。
眾多關鍵功能需要穩定的5V和3.3V電源軌，以及低于2V的電壓軌，用以為模擬和數字IC中的元器件、處理器I/O和內核供電。當直接由VBATT供電時，如果VBATT低于其輸出或VIN(MIN),純降壓型穩壓器將失去穩壓能力。但是，此類關鍵功能通常不需要太多功率，因此可以使用高集成度緊湊型解決方案，例如6mm×6mm、四路輸出、三通道單片降壓轉換器和升壓控制器LT8603。
LT8603的集成升壓控制器的工作電壓可低于2V，是其它三個降壓型穩壓器的理想預調節器。圖10顯示了針對這些應用的ADI Power最先進的解決方案，它可以穿越冷啟動事件。兩個高壓降壓型穩壓器由預升壓轉換器供電。當 VBATT降至8.5V以下時，升壓控制器開始切換，輸出(OUT4)被調節至8V。一旦啟動，輸出電壓就會保持穩定，而輸入電壓可以低至3V。因此，兩個高壓降壓穩壓器可以穿越冷啟動狀況，同時提供恒定的5V和3.3V輸出，如圖11所示。一旦VBATT從冷啟動狀況恢復到8.5V以上，升壓控制器就像直通二極管一樣工作。高壓降壓穩壓器可以處理高達42V的VBATT。低電壓降壓穩壓器由OUT2供電，在冷啟動事件中提供1.2V電壓。
圖 10. LT8672 和 LT8603 解決方案可以承受并穿越冷啟動事件
圖 11. LT8672 和 LT8603 組合可產生5V 和3.3 V輸出，從而穿越冷啟動事件
超低IQ延長永遠在線系統的電池運行時間
對于連接到VBATT工作數周或數月而電池不充電的永遠在線系統，輕負載和無負載效率有時候比滿負載效率更重要。ADI Power 系列超低靜態電流(IQ)器件可保護電池電量，同時能承受挑戰性的瞬態狀況并支持寬輸入電壓范圍(3V至42V)和寬溫度范圍。為了優化效率并在輕負載和無負載時保持穩壓，穩壓器應提供Burst Mode®(突發)工作模式。在兩次突發操作之間， 所有與控制輸出開關相關的電路都關斷，輸入電源電流減小到幾微安。相比之下，典型的降壓穩壓器為了在空載情況下保持穩壓，可能需要從VBATT汲取數百微安，電池電量消耗速度會快幾個數量級。
給定輕負載下的突發模式效率主要受開關損耗的影響，開關損耗與開關頻率和柵極電壓有關。由于接通和關斷MOSFET以及讓內部邏輯保持活動狀態需要一定的能量，所以降低開關頻率可降低柵極電荷損耗并提高效率。開關頻率主要由突發模式電流限值、電感值和輸出電容決定。給定負載電流時，增加突發電流限值可以提高每個開關周期中輸送的能量，相應的開關頻率會更低。給定突發電流限值時，較大值的電感比較小值的電感能存更多的能量，開關頻率也會更低。出于同樣的原因，更大的輸出電容會儲存更多的能量，需要更長的時間來放電。
圖12. 低 IQ LT8650S 能維持非常高的輕載效率以支持永遠在線應用，而不 會大幅消耗電池電量
圖12顯示了超低IQ同步降壓型穩壓器LT8650S用在一個高效率、寬輸入電壓和負載電流范圍的應用中。利用集成MOSFET，此器件可在3.3V或5V的固定輸出電壓下提供高達8A的總輸出電流。盡管整體設計和布局已經很簡單，但該轉換器還包含了可用于優化電池供電系統特定應用性能的其它選項。
表1列出了適用于汽車市場的低IQ單片穩壓器，其輸入電壓最高可達42V或65V。得益于ADI開發的低IQ技術，這些器件的典型靜態電流僅為2.5μA。最短導通時間為35ns，在開關頻率為2MHz 時，這些穩壓器可從42V輸入提供3.3V輸出電壓，這樣的應用在汽車行業很常見。
Silent Switcher產品組合使EMI設計不再復雜
汽車應用要求系統不產生可能干擾其他汽車系統正常運行的電磁噪聲。例如，開關電源是高效率電源轉換器，但會產生不受歡迎的可能影響其他系統的高頻信號。開關穩壓器噪聲發生在開關頻率及其諧波處。
紋波是輸出和輸入電容上出現的噪聲分量。低ESR和ESL電容以及低通LC濾波器可以減小紋波。功率MOSFET快速開關引起的更高頻率噪聲分量要難以處理得多。由于設計專注于小尺寸解決方案和高效率，開關工作頻率現已推高到2MHz，以減小無源元件尺寸并避免可聽頻段。此外，通過降低開關損耗和占空比損耗，開關轉換時間已縮短到納秒級以提高效率。
封裝和PCB布局中的寄生電容和電感對噪聲分布起著重要作用，如果存在噪聲，則很難將其消除。開關噪聲覆蓋從幾十MHz到超過GHz的范圍，導致EMI預防變得非常復雜。受此類噪聲影響的傳感器和其他儀器可能會運行不正常，引起可聞噪聲或嚴重的系統故障。因此，人們建立了嚴格的標準來管制EMI。最常用的標準是CISPR25Class5，它詳細說明了150kHz至1GHz頻率下的可接受限值。
要在大電流下達到EMI要求，通常會涉及復雜的設計和測試程序，包括在解決方案的尺寸、總效率、可靠性和復雜性等眾多方面進行權衡。傳統方法通過減慢開關邊沿或降低開關頻率來控制EMI，由此帶來的弊端是效率降低，最小開關時間增加，解決方案尺寸增大。替代緩解方案包含龐大復雜的EMI濾波器、緩沖器或金屬屏蔽，這會顯著增加電路板空間、元件和裝配方面的成本，并使熱管理和測試復雜化。
我們的Silent Switcher技術以創新方式解決了EMI問題，使高頻、高功率電源中實現出色的EMI性能。第二代Silent Switcher2器件通過將熱環路電容集成到封裝中，簡化了電路板設計和制造。對于42V/4A LT8650S之類的降壓型穩壓器，熱環路包括一個輸入電容以及頂部和底部開關。其他噪聲環路包括柵極驅動電路和升壓電容充電電路。在Silent Switcher2器件中，熱環路和溫環路電容集成在封裝中，并以最小化EMI的方式布局。這就降低了最終電路板布局對EMI的影響，簡化了設計和制造。使用這些器件中集成的可選展頻特性，可以進一步降低峰值EMI，使其更容易符合嚴格的EMI標準。
圖 13. LT8672 和 LT8650S 配置用于高輸出電
圖13展示了一種低IQ,低噪聲解決方案，支持汽車I/O和外設的高電流應用。前端的LT8672保護電路免受電池反向故障和高頻交流紋波的影響，正向壓降只有幾十mV。LT8650S的開關頻率為400kHz，輸入范圍為3V至40V，兩個通道并聯工作時輸出能力為8A。兩個去耦電容靠近LT8650S的輸入引腳放置。由于采用 Silent Switcher2技術，即使沒有安裝EMI濾波器，高頻EMI性能也十分出色。該系統符合CISPR25Class5峰值和均值的限值要求，而且裕量很大。圖14顯示了在30MHz至1GHz范圍內的垂直極化的輻射EMI均值測試結果。完整解決方案具有原理圖簡單、總元件數非常少、尺寸緊湊等特點，而且EMI性能不受電路板布局變化的影響(圖15)。
圖 14. LT8672 和 LT8650S EMI 性能：30 MHz 至 1 GHz
圖 15. 完整電源解決方案，從汽車電池獲得 3.3 V 和 5 V 輸出
結論
汽車應用需要低成本、高性能、可靠的電源解決方案。惡劣的引擎蓋下環境要求電源設計人員提出穩健的解決方案，考慮各種潛在的破壞性電氣和熱事件。連接到12 V電池的電子板必須精心設計，實現高可靠性、小尺寸解決方案和高性能。ADI Power 器件目錄包含專門針對汽車要求的創新解決方案：超低靜態電流、超低噪聲、低EMI、高效率、寬運行范圍、小尺寸和寬溫度范圍。通過消除復雜性并提高性能，ADI Power解決方案可縮短電源設計時間，降低解決方案成本，并加快產品上市時間。
推薦閱讀：
