汽车@@电源管理@@系统小型化@@设计@@：这道必答题@@，该如何解@@？

judy — Fri, 01 Dec 2023 08:23:18 +0000

如果将今天的@@智能汽车@@看成是一个@@“生物@@”，那么汽车@@电子设备的@@电源管理@@系统@@，就像是这个@@“生物@@”的@@心血管@@系统@@，为其提供@@运转所需的@@能量@@。不过和@@自然界中真实的@@生物@@不同@@，汽车@@这个物种进化得太快了@@，随着其功能的@@不断发展@@，对于@@“心血管@@”造成的@@压力可想而知@@。因此@@，新一代汽车@@电源管理@@系统的@@设计@@，也是势在@@必行@@。

众所周知@@，汽车@@电子的@@诸多功能是由遍布车身的@@电子控制单元@@@@（ECU）实现的@@@@，ECU除了要提供@@动力和@@驾控等汽车@@作为交通工具的@@@@“传统艺能@@”，更是实现@@ADAS、信息娱乐主机@@、智能仪表盘等快速增长的@@车载智能化功能的@@关键@@。据分析@@，高端汽车@@中集成有近百个@@ECU。

想要确保这么多@@ECU可靠而安全地运转@@，为每个@@ECU“架设@@”专用的@@电源管理@@链路@@，使其能够从汽车@@电池中获取电力@@，显然是必不可少的@@工作@@。而在@@这个过程中@@@@，一个突出的@@挑战在@@于@@：ECU数量在@@增加@@，相应地电源管理@@系统会变得越来越复杂@@，而汽车@@的@@空间是有限的@@@@。因此@@，应对@@这样的@@挑战@@，如何进行汽车@@电源管理@@系统的@@小型化@@@@设计@@，也就成了一个绕过不去的@@必答题@@。

汽车@@电源管理@@小型化@@设计挑战@@

当然@@，“小型化@@”三个字说说容易@@，做起来并不简单@@。这是因为与其他的@@应用相比@@@@，汽车@@电源管理@@面对的@@约束条件更多@@，需要权衡的@@技术@@要素也更全面@@。

首先@@，在@@不影响性能的@@前提下@@，用集成度更高的@@解决方案@@替代分立器件方案@@，肯定是优先考虑的@@方法@@。因此@@，能够提供@@多路电源轨输出@@@@，为多个用电单元供电的@@车用@@PMIC，会更受开发者的@@青睐@@。

其次@@，随着单台车辆上汽车@@电子设备数量的@@增加@@，也需要汽车@@管理器件有能力支持更高功率@@、更大电流的@@应用@@。而在@@某些应用中@@，特别是一些高性能的@@@@SoC，对于@@电压轨的@@电压精度等指标会有更特殊的@@要求@@。这都要求车用电源管理@@器件@@，在@@性能上有相应的@@提升和@@优化@@。

再有@@，受汽车@@空间所限@@，车载电子产品@@受到@@的@@@@“热约束@@”也更大@@。这就要求电源管理@@系统在@@提升效率上精益求精@@、锱铢必较@@，尽可能减少热损耗@@，简化热管理系统设计的@@复杂性@@。

同时@@，狭小的@@空间也会增加@@EMI防护和@@治理方面@@的@@挑战@@，而在@@电源管理@@中广泛使用的@@开关@@稳压器本身就是一个@@“噪声源@@”，因此@@需要从器件级和@@系统级两个方面@@着手@@，应对@@EMI的@@问题@@——这不仅仅是产品@@功能设计的@@需要@@，更是相关法规标准的@@@@强制要求@@，不容马虎@@。

此外@@，汽车@@应用在@@可靠性和@@安全方面@@的@@高标准@@，也会体现在@@电源产品@@的@@设计上@@，在@@小型化@@的@@同时@@@@，确保电源管理@@方案@@达到@@@@相应的@@功能安全等级@@，也是必不可少的@@技术@@考量@@。

上述诸多技术因素的@@影响@@，使得@@工程师在@@设计小型化@@的@@汽车@@电源管理@@系统时@@，对于@@相关芯片解决方案@@的@@选型会更加@@“挑剔@@”，能够成为他们心头好的@@电源管理@@器件@@，一定需要具备过硬的@@实力以@@及与众不同的@@优势@@。接下来@@，本文将带大家认识这样几款@@Analog Devices出品的@@车用电源管理@@器件@@。

高集成方案@@，减小占板面积@@

以@@汽车@@中的@@@@ADAS高级辅助驾驶系统为例@@@@@@，为了实现更高级别@@的@@驾驶自动化@@，提供@@更佳的@@用户体验@@，ADAS系统中通常会采用包括毫米波雷达@@、激光雷达和@@摄像头模块在@@内的@@多种环境传感器@@，每种传感器的@@数量@@也不止一个@@，以@@增强对环境的@@感知能力@@。

在@@传统的@@方案中@@，为单个环境传感器供电@@（以@@毫米波雷达中的@@单片@@MMIC为例@@），需要包括多个电压调节器@@、监视器和@@看门狗@@IC在@@内的@@六个分立的@@器件@@（如图@@@@1）。这样的@@方案可能会占掉一个传感器模块@@PCB上一半以@@上的@@面积@@，这显然会让核心@@的@@功能设计捉襟见肘@@，处处受制@@。

图@@1：基于@@分立器件的@@雷达@@@@ECU电源管理@@方案@@（图@@源@@：Analog Devices）

为此@@，Analog Devices提出了一种基于@@高集成度@@PMIC的@@双芯片解决方案@@@@（如图@@@@2），大大减少了电源管理@@系统的@@占板面积@@，为其他的@@功能电路释放出充足的@@设计空间@@。

图@@2：基于@@PMIC的@@雷达@@ECU电源管理@@方案@@（图@@源@@：Analog Devices）

由上图@@可见@@，该方案包括两个核心@@电源管理@@器件@@：

前端是一个高压降压转换器@@@@（HV BUCK），其作用是将电池电压降至@@@@3.3V；

后端是一个高密度@@、低电压的@@@@PMIC，其集成有多路的@@电压调节器@@，包括降压调节和@@升压调节@@，以@@产生高精度的@@电压轨输出@@@@，为功能模块中的@@用电负载供电@@。

架构优势@@

这种架构一方面@@可以@@显著优化电源管理@@系统的@@尺寸@@，赋能产品@@的@@小型化@@@@设计@@，另一方面@@也有利于方案的@@可扩展性@@，开发者可以@@根据目标应用的@@需要@@，分别选择更为合适的@@高压降压转换器@@和@@低压@@PMIC，实现更优的@@方案@@。

Analog Devices也为支持这一架构@@，提供@@了丰富的@@产品@@组合@@。

MAX20014

在@@后端低压@@PMIC方面@@，MAX20014是一个应用范围很广的@@解决方案@@@@。MAX20014是一个高效@@、三路输出@@的@@低压@@DC-DC转换器@@，其中一路同步升压转换器@@输出@@@@，将输入电压升压到@@@@8.5V，输出@@电流高达@@750mA；而两路同步降压转换器@@的@@输入电压范围为@@3.0V至@@5.5V，提供@@0.8V至@@3.8V的@@输出@@电压@@，负载电流可达@@3A。在@@整个负载范围@@，以@@及器件的@@工作温度范围内@@，MAX20014都能够提供@@较高的@@精度@@（升压转换器@@精度可达@@±2%，降压转换器@@的@@精度可达@@±1.5%）。

除了本身的@@高集成度@@，由于@@MAX20014的@@工作频率高至@@@@2.2MHz，因此@@允许使用外形更小的@@全陶瓷电容@@，使得@@外围@@188足彩外围@@app 占位面积更小@@。

在@@效率方面@@@@，MAX20014可以@@工作在@@@@2.2MHz固定频率脉宽调制@@（PWM）模式@@可提供@@更好的@@负载瞬态响应@@；其也可工作在@@脉冲频率调制模式@@@@（SKIP），确保轻载下的@@高效工作@@。由于@@集成了低@@RDS(ON)开关@@，因此@@相对于@@分立式方案@@，MAX20014也大大提高了重负载时的@@效率@@。

此外@@，MAX20014采用可编程扩频调制@@，可有效抑制@@EMI电磁辐射@@@@。器件还提供@@预设的@@固定或电阻可调节输出@@电压@@、软启动@@、过流和@@过热保护等功能@@，可以@@说是一位各方面@@实力都不俗的@@@@“六边形战士@@”。

图@@3：MAX20014升压和@@双通道降压转换器@@框图@@@@（图@@源@@：Analog Devices）

MAX20408

在@@前端的@@高压降压转换器@@的@@选择上@@，具有@@10μA静态电流和@@双相能力的@@汽车@@级@@@@36V、8A全集成降压转换器@@@@MAX20408是一款值得推荐的@@产品@@@@。

作为一款小型同步降压转换器@@@@，MAX20408集成了高侧和@@低侧开关@@@@，可在@@@@3V到@@36V的@@宽输入电压范围内提供@@高达@@8A的@@电流@@。其还具有@@双相功能@@，可将两个@@IC配置为主机和@@从机@@，进行动态电流共享和@@@@180°错相操作@@，这样一来可支持的@@电流@@将成倍增加@@，达到@@@@16A。这种大电流能力@@，非常有利于为下游更丰富的@@功能模块提供@@充沛的@@电力@@，以@@简化整体系统@@BOM。

图@@4：MAX20408汽车@@级@@全集成降压转换器@@@@框图@@@@（图@@源@@：Analog Devices）

2.1MHz和@@400kHz的@@高开关@@频率选项@@，使得@@MAX20408同样支持外部@@188足彩外围@@app 的@@小型化@@@@，同时@@可减少输出@@纹波并确保无@@AM干扰@@。扩频选项也有助于进一步减少@@EMI辐射@@。

MAX20408可编程的@@@@FSYNC输入支持三种不同的@@工作模式@@@@，包括强制@@PWM模式@@、超低静态电流的@@跳跃模式@@以@@及与外部时钟的@@同步模式@@@@，有利于性能的@@优化@@。其电压质量可以@@通过观察@@PGOOD信号来监测@@，并可以@@在@@@@99%占空比低压差下运行@@，非常适合于汽车@@和@@工业等高可靠性应用@@。

图@@5：MAX20408可为后端电路提供@@充足电力@@（图@@源@@：Analog Devices）

多路电源监控器@@，确保功能安全@@

越来越多汽车@@电子设备的@@部署@@，除了要考虑性能和@@功能方面@@的@@要求@@，还有一个必不可少的@@技术@@考量@@，这就是功能安全@@，其作用是确保车辆中电气安全相关系统发生故障时@@，不会导致安全系统的@@故障或风险@@。这在@@车载应用中是至@@关重要的@@@@。

汽车@@电子系统所需的@@功能安全级别@@@@，以@@系统的@@@@ASIL（汽车@@安全完整性级别@@@@）评级来定义@@，由低到@@高分为从@@A到@@D四个级别@@@@。想要达到@@@@所需的@@@@ASIL级别@@，通常有两种方法@@：一种方法是使用集成了相关功能@@、本身符合@@ASIL的@@IC，采用这种方法@@BOM更简化@@，当然@@单颗物料的@@成本也会更高些@@；另一种方法是使用监控电路来提供@@系统达标所需的@@检测@@、诊断和@@验证等功能@@，这种方案通常具有@@更大的@@设计灵活性@@。

在@@汽车@@电源管理@@领域@@，无论采用哪种方法@@，都面临着小型化@@的@@设计挑战@@。以@@ADAS系统为例@@@@，通常需要对其核心@@@@SoC进行电压监控和@@执行监控@@，以@@确保系统的@@正常工作@@。这个过程中@@，核心@@SoC需要执行多个复杂算法来将传感器数据转换为逻辑响应@@，需要看门狗@@IC来确保正确执行@@。这些@@复杂算法需要@@SoC内集成的@@不同功能模块@@（如主处理器外围电压@@、处理器内核@@、存储器和@@外设@@）共同来完成@@。在@@主@@SoC之外@@，整个系统中还可能会有其他微控制器控制的@@传感器进行数据采集和@@驱动响应@@……所用这些@@都需要不同的@@电源轨供电@@，而为了满足功能安全要求@@，则需要对每个电源轨都进行电压监控@@。这时@@，一个高集成度的@@电源监控解决方案@@就显得十分必要了@@。

MAX20480是符合@@ASIL标准的@@@@SoC电源系统监测器@@，可支持多达@@7路电压监测输入@@，每路输入均具有@@可编程@@OV/UV门限@@（介于@@2.5%至@@10%之间@@），精度为@@±1%。其中两路输入具有@@独立的@@远端地检测输入@@，通过集成@@I2C接口支持@@DVS。

MAX20480包含可编程灵活上电顺序记录器@@（FPSR），该记录器可独立储存上电和@@断电时标@@，支持开@@/关和@@休眠@@/待机电源排序@@。MAX20480还包含可编程质询@@/应答看门狗@@，可通过@@I2C接口访问@@，同时@@还包括可编程低电平有效@@RESET输出@@。

显而易见@@，与独立@@IC或分立式@@188足彩外围@@app 相比@@，MAX20480在@@提高可靠性的@@同时@@大大降低了所需@@188足彩外围@@app 的@@数量@@，减少了系统尺寸@@，与监控控制器配合使用时@@，MAX20480可满足@@ASIL-D可靠性标准的@@@@要求@@，提供@@了一种小型化@@的@@设计解决方案@@@@，在@@ADAS、驾驶员和@@乘客监控系统@@、信息娱乐系统@@、智能座舱等新兴车载应用中都能够大显身手@@。

图@@6：MAX20480电源系统监测器@@（图@@源@@：Analog Devices）

本文小结@@

越来越丰富的@@汽车@@电子功能@@，推动着相关电子设备小型化@@的@@设计趋势@@。而这种小型化@@的@@设计要求具体到@@为每个@@@@ECU供电的@@电源管理@@系统的@@设计上@@，就面临着诸多挑战@@。以@@往开发者不得不在@@诸多设计要求之间@@进行权衡取舍@@，难于达到@@@@理想的@@设计目标@@。

好消息是@@，Analog Devices提出了一种理想的@@双芯片汽车@@电源系统架构@@，并提供@@了丰富的@@产品@@组合@@@@，以@@满足不同车载应用电源管理@@系统设计的@@要求@@。如果你想了解更多的@@技术@@信息@@，探索更多的@@可能性@@，请访问贸泽电子@@官网@@中相关的@@技术@@专题页面@@，你一定会收获满满@@。

来源@@：贸泽电子@@

解决方案@@:

汽车@@

Xilinx是一家专注于可编程逻辑器件@@（FPGA）和@@自适应处理器的@@公司@@，提供@@了一系列面向汽车@@行业的@@解决方案@@@@。以@@下是@@Xilinx在@@汽车@@领域的@@一些关键方面@@@@：

汽车@@级@@FPGA： Xilinx提供@@了针对汽车@@行业的@@@@FPGA产品@@，这些@@产品@@通常具有@@更高的@@可靠性@@、温度范围和@@其他特定于汽车@@的@@要求@@。这些@@FPGA可用于处理复杂的@@计算任务@@、传感器融合@@、图@@像处理等@@。

ADAS（先进驾驶辅助系统@@）： Xilinx的@@技术@@被广泛应用于先进驾驶辅助系统@@@@，包括雷达处理@@、视觉感知@@、车道保持辅助@@、自动驾驶等功能@@。

汽车@@网@@络@@： Xilinx的@@解决方案@@用于汽车@@网@@络@@和@@通信@@，包括支持@@Ethernet AVB/TSN（音视频桥接@@/时间敏感网@@络@@）的@@技术@@，以@@实现高效的@@数据通信@@。

汽车@@信息娱乐系统@@@@： Xilinx的@@FPGA和@@处理器技术可用于提升车载娱乐系统的@@性能@@，支持高级图@@形和@@音频处理@@。

电动汽车@@和@@混合动力系统@@： Xilinx的@@解决方案@@还可用于电动汽车@@和@@混合动力汽车@@的@@控制系统@@，包括电机控制@@、电池管理等@@。

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