線性方案對比開關方案(SMPS)及設計考量

在zai電dian源yuan轉zhuan換huan過guo程cheng中zhong不bu可ke避bi免mian地di會hui發fa熱re，穩wen壓ya器qi散san熱re會hui損sun失shi一yi部bu分fen功gong率lv，這zhe樣yang輸shu出chu功gong率lv就jiu不bu可ke能neng等deng於yu輸shu入ru功gong率lv。傳chuan統tong的de線xian性xing穩wen壓ya器qi在zai此ci過guo程cheng中zhong會hui耗hao散san大da部bu分fen能neng量liang，已yi無wu法fa滿man足zu當dang前qian高gao功gong率lv需xu求qiu類lei的de應ying用yong。我wo們men假jia定ding采cai用yong線xian性xing穩wen壓ya器qi時shi需xu要yao2.5 W的額定功率，以及5 V輸出電壓和0.5 A輸出電流，那麼需提供6 W的輸入功率
，能效(即輸出功率除以輸入功率的比值)僅為41%，損失高達59%！而同樣情況下，開關電源僅需2.8 W的輸入功率
，能效高達90%。

因(yin)此(ci)，設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)可(ke)采(cai)用(yong)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)能(neng)效(xiao)
，但(dan)是(shi)開(kai)關(guan)方(fang)案(an)也(ye)有(you)弊(bi)端(duan)，由(you)於(yu)其(qi)複(fu)雜(za)的(de)反(fan)饋(kui)回(hui)路(lu)
，外(wai)部(bu)元(yuan)件(jian)較(jiao)線(xian)性(xing)方(fang)案(an)多(duo)且(qie)需(xu)要(yao)更(geng)多(duo)的(de)PCB麵積，再加上開關的性質導致其降噪性能差
，在設計過程中需從反饋回路設計
、外部元件數、PCB麵積、瞬態電流及電磁幹擾等方麵考慮
，以減輕其弊端。

1. 反饋回路設計

為匹配輸出阻抗的後穩壓器選擇合適的負輸入電阻以避免振蕩，達到穩壓輸出的目的；

有效使用仿真工具以了解頻域中的頻率補償；頻率補償可通過選擇單極響應控製方案來實現。

2. 外部元件數

集成的電源開關可減小布線尺寸
，功耗比板外電源開關更低，且更易於設計。

3. 線路板麵積

減小電感和電容的尺寸

，占板麵積得以減小，且開關頻率增加，使能效得以提升，同時減弱PCB電磁輻射和電磁幹擾。但需注意盡量使導通和開關損耗最小化，降低噪聲。

4. 瞬態電流

將線性穩壓器和開關電源並聯
，可減小瞬態電流，稱為混合開關電源
；且可根據線路負載情況，以恒定的開和關條件進行脈衝頻率調製。

5. 電磁幹擾

減少回路麵積
，優化PCB布局，從而減弱電路間的幹擾；

避免由穩壓器和係統環境產生的敏感頻段
；

采用擴頻調製技術
、決定光譜含量和去耦方案降低排放峰值。

在汽車應用中，還需考慮到電源管理模塊不斷增長的複雜性
，要求處理更高電流情況的能力、低轉儲、雙電池轉移乃至需要最小工作電流等等
，為係統選擇合適的高能效電源方案。

滿足低壓啟動的混合線性/開關電源方案

zaigeguofenfentuixingriquyankederanyoujingjixingbiaozhunheguifandeeryanghuatanpaifangxieyidebeijingxia，qitingxitongdeshichangxuqiuriyizengjia。suoweiqitingxitong，jizaiqichexingshiguochengzhonglinshitingchedeshihouzidongxihuo，xuyaojixuqianjinshixitongzidongzhongqineiranji，congerjianshaofadongjikongxiandeshijian
，yijianshaoranyouxiaohaoheeryanghuatanpaifang。

內燃機無法自行啟動，需要外力引發燃燒循環。這是啟動電機的用途所在
，當插入點火開關鑰匙並將開關扭至“開”
，啟(qi)動(dong)電(dian)機(ji)啟(qi)動(dong)。然(ran)而(er)，啟(qi)動(dong)電(dian)機(ji)轉(zhuan)動(dong)曲(qu)柄(bing)發(fa)動(dong)引(yin)擎(qing)需(xu)要(yao)的(de)電(dian)流(liu)量(liang)非(fei)常(chang)大(da)，導(dao)致(zhi)在(zai)啟(qi)動(dong)階(jie)段(duan)汽(qi)車(che)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)顯(xian)著(zhu)下(xia)降(jiang)。為(wei)避(bi)免(mian)啟(qi)動(dong)階(jie)段(duan)的(de)壓(ya)降(jiang)
，可(ke)在(zai)降(jiang)壓(ya)穩(wen)壓(ya)器(qi)和(he)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)的(de)LDO之zhi間jian添tian加jia啟qi停ting預yu升sheng壓ya器qi，它ta基ji於yu點dian火huo開kai關guan打da開kai和he關guan閉bi
，以yi滿man足zu啟qi停ting係xi統tong的de低di壓ya啟qi動dong。預yu升sheng壓ya器qi通tong常chang采cai用yong大da功gong率lv集ji中zhong式shi多duo相xiang升sheng壓ya和he分fen布bu式shi小xiao功gong率lv單dan相xiang升sheng壓ya等deng方fang法fa，用yong以yi避bi免mian電dian壓ya驟zhou降jiang導dao致zhi的de異yi常chang
，並bing符fu合he12 V係統的 ISO 16750標準。

如安森美半導體的非同步升壓控製器NCV8876
，采用2 V至45 V輸入電壓工作
，能夠在冷啟動及45 V負載突降情況下工作
，其工作原理是：電池電壓正常時，NCV8876進入休眠模式；而當電池電壓降至設定電壓時，NCV8876自動喚醒，開始升壓工作。NCV8876還集成了多種保護功能，如逐周期限流保護、斷續模式過流保護及過熱關閉等。其它特性包括：峰值電流檢測
、最小COMP電壓鉗位可提高切換時的響應速度等，工作溫度範圍-40℃至150℃，非常適合汽車啟停係統應用。
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ADAS采用混合線性/開關電源方案增加輸出功率

隨著車輛主動安全係統的重要性的與日俱增

， ADAS逐漸從高檔車應用擴展至中檔車，它通過協助駕駛員控製車輛的複雜過程以提供更安全便利的駕駛體驗如自適應巡航控製、盲點監控、車道偏離警報


、夜視、車道保持協助
、以及具自動轉向和製動措施的碰撞警報係統。

下一代ADAS將可令駕駛體驗進一步自動化，如：用智能手機app協助自動停車
；搭載V2X通訊係統實現車輛與車輛或車輛與外界環境的即時信息交換，從而大大緩解交通堵塞，減少交通事故的發生；通過介質雷達傳感器平台識別事故隱患，作出靈敏反應並自主采取行動
，提供多重安全功能的同時降低成本。

這就需要配以係統基礎芯片(SBC), 通過通信技術如以太網成功連接車輛中的各部分如攝像頭、GPS、雷達和旋轉編碼器來實現。由於ADAS高集成度的複雜性，係統設計師需要為其選擇高精度和可定製的電源和功率模塊，為電源部分提供專用功能如看門狗功能
、電源監控冗餘功能以及電壓監控功能
，以保證符合ISO26262標準的汽車安全完整性(ASLI) B等級，實現整車功能性安全和更安全的駕駛體驗。

駕駛信息係統采用開關電源方案減小瞬態電流

駕駛信息係統包括車輛內外的信息係統、通信係統以及娛樂係統
，是汽車發展的主要部分。油耗
、車速、導航、娛樂及ADAS等信息都可通過儀表盤和中控麵板向駕駛員顯示。Nvidia、Intel等(deng)廠(chang)商(shang)不(bu)斷(duan)提(ti)升(sheng)係(xi)統(tong)集(ji)成(cheng)能(neng)力(li)並(bing)開(kai)發(fa)智(zhi)能(neng)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)
，通(tong)過(guo)圖(tu)形(xing)處(chu)理(li)器(qi)集(ji)成(cheng)和(he)連(lian)接(jie)各(ge)種(zhong)不(bu)同(tong)車(che)輛(liang)的(de)功(gong)能(neng)。由(you)於(yu)係(xi)統(tong)內(nei)部(bu)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)大(da)量(liang)的(de)計(ji)算(suan)
，所(suo)以(yi)駕(jia)駛(shi)信(xin)息(xi)係(xi)統(tong)屬(shu)於(yu)高(gao)功(gong)率(lv)應(ying)用(yong)，可(ke)采(cai)用(yong)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)方(fang)案(an)。單(dan)相(xiang)/多相SMPS作為用於駕駛信息係統的關鍵技術
，可根據實時使用狀況進行動態電壓調節
，減少不必要的功耗。安森美半導體的NCV8901xx係列是集成降壓SMPS的轉換器，輸出電流為1.2 A
，工作頻率為2 MHz
，輸入電壓範圍4.5 V 至36 V，可耐受40 V拋負載電壓，芯片工作結溫為-40℃至150℃，體積小

，輸出精度高
，可在駕駛信息係統中使用。

汽車電源朝48 V係統進發

因應不斷提升的節能減排的需求/規範，輕型48 V係統銷量近十年來一直在增長。48 V結構由12 V和48 V網絡組成，兩個網絡之間通過雙向輸出的SMPS相連
，結合傳統的12 V或14 V網絡，像大多數傳統車輛一樣采用鉛酸電池。一個48 V鋰離子電池配備一個獨立的48 V網絡。12 V網絡處理傳統的負載：照明、點火
、娛樂、音頻係統以及電子模塊。48 V係統支持主動底盤係統、空調壓縮機和再生製動。48 V結(jie)構(gou)的(de)關(guan)鍵(jian)優(you)點(dian)在(zai)於(yu)它(ta)結(jie)合(he)了(le)雙(shuang)壓(ya)設(she)置(zhi)及(ji)眾(zhong)所(suo)周(zhou)知(zhi)的(de)啟(qi)停(ting)技(ji)術(shu)的(de)優(you)點(dian)，更(geng)有(you)效(xiao)地(di)捕(bu)捉(zhuo)車(che)輛(liang)製(zhi)動(dong)能(neng)量(liang)
，為(wei)不(bu)斷(duan)增(zeng)加(jia)的(de)電(dian)氣(qi)負(fu)載(zai)提(ti)供(gong)更(geng)高(gao)功(gong)率(lv)，同(tong)時(shi)提(ti)升(sheng)可(ke)能(neng)高(gao)達(da)15%的燃油能效
；此外，它還減小傳送到負載的電流、減少線束重量從而提升電源能效。

結語

汽qi車che產chan業ye的de發fa展zhan趨qu勢shi要yao求qiu汽qi車che電dian源yuan的de設she計ji配pei合he，工gong程cheng師shi在zai設she計ji中zhong須xu根gen據ju具ju體ti情qing況kuang並bing綜zong合he多duo方fang麵mian因yin素su靈ling活huo選xuan用yong方fang案an，如ru在zai啟qi停ting係xi統tong中zhong使shi用yong預yu升sheng壓ya控kong製zhi器qi，在zaiADAS中考慮混合開關電源，駕駛信息係統采用純開關電源等等。為進一步提升燃油能效，48 V架構/係統也已在討論中。總之，汽車電源設計須視提供更高能效為核心目標，同時符合政府相關法規，並滿足消費者不斷提高的期望。

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