電動汽車電源設計挑戰及考量 ADAS中考慮混合開關電源

電動化、智能化、互聯互通正成為汽車發展的新趨勢。許多電子系統，如提高燃油經濟性的啟停系統、提高主動安全性的高級駕駛員輔助系統（ADAS），以及作為新一代智能交通基礎的駕駛信息系統，越來越多地被電動汽車設計師采用。多系統的集成不僅提高了汽車的駕駛體驗，也給汽車電源的設計帶來了挑戰。汽車電源必須提供更高的能源效率和更低的能源消耗，以適應汽車工業的發展，并滿足各種環境法規和安全標準。

線性方案的開關電源及其設計考慮

在功率轉換過程中，不可避免地會產生熱量，調節器的散熱會損失一些功率，因此輸出功率不能等于輸入功率。傳統的線性調節器會在這個過程中消耗大部分能量，無法滿足當前高功率需求的應用。我們假設使用線性調節器時需要2.5W的額定功率、5V的輸出電壓和0.5A的輸出電流，因此需要6W的輸入功率，能效（即輸出功率除以輸入功率的比值）僅為41%，損耗高達59%！

在同樣的情況下，開關電源只需要2.8W的輸入功率，能效高達90%。

因此，設計工程師可以使用開關電源來提高系統的能源效率，但開關方案也有缺點。由于其反饋回路復雜，與線性方案相比，外部元件更多，PCB面積更大，并且開關的性質導致其降噪性能較差，因此在設計過程中應考慮反饋回路的設計、外部元件的數量、PCB面積、瞬態電流和電磁干擾，以減輕其缺點。

1.反饋回路的設計

為與輸出阻抗匹配的后調節器選擇合適的負輸入電阻器，以避免振蕩，達到穩定輸出的目的；

有效地使用仿真工具來理解頻域中的頻率補償；頻率補償可以通過選擇單極響應控制方案來實現。

2.外部組件數量

集成電源開關可以減少布線尺寸，比非車載電源開關功耗更低，并且更易于設計。

3.電路板區域

減小電感器和電容器的尺寸減少了板面積，增加了開關頻率，提高了能源效率，削弱了PCB的電磁輻射和電磁干擾。然而，應注意盡量減少導通和開關損耗，并降低噪聲。

4.瞬態電流

將線性調節器與開關電源并聯可以減少瞬態電流，稱為混合開關電源。并且可以根據線路負載在恒定的接通和斷開條件下進行脈沖頻率調制。

5.電磁干擾

減少環路面積，優化PCB布局，從而削弱電路之間的干擾；

避免電壓調節器和系統環境產生的敏感頻帶；

采用擴頻調制技術，確定光譜含量和解耦方案，降低發射峰值。

在汽車應用中，有必要考慮電源管理模塊日益增加的復雜性、處理更高電流、低轉儲、雙電池傳輸甚至最小工作電流的能力等，并為系統選擇合適的節能電源方案。

用于低壓啟動的混合線性/開關電源方案

在各國推動越來越嚴格的燃油經濟性標準和標準化的二氧化碳排放協議的背景下，市場對啟停系統的需求正在增加。所謂的啟停系統，即當汽車在行駛過程中臨時停車時，自動關閉發動機，當需要繼續行駛時，系統自動重新啟動內燃機，從而減少發動機的怠速時間，減少油耗和二氧化碳排放。

內燃機不能自行啟動，因此需要外力來觸發燃燒循環。這就是使用起動馬達的地方。當插入點火開關鑰匙并將開關轉到“ON”位置時，起動馬達啟動。然而，啟動電機和起動發動機所需的電流量非常大，這導致汽車在啟動階段的電池電壓顯著下降。為了避免啟動過程中的電壓下降，可以在降壓調節器和電池供電的LDO之間添加啟停預增壓器，該預增壓器基于點火開關的打開和閉合，以滿足啟停系統的低電壓啟動。前置升壓器通常采用大功率集中式多相升壓器和分布式低功率單相升壓器，以避免電壓暫降引起的異常，并符合12 V系統的ISO 16750標準。例如，安信半導體的異步升壓控制器NCV8876在2V至45V的輸入電壓下工作，可以在冷啟動和45V負載突然下降的情況下工作。其工作原理是：當電池電壓正常時，NCV8876進入睡眠模式；

當電池電壓降至設定電壓時，NCV8876會自動喚醒并開始升壓。NCV8876還集成了多種保護功能，如逐周期限制電流保護、間歇模式過電流保護和過熱停機。其他特性包括：峰值電流檢測、最小COMP電壓箝位可以提高開關過程中的響應速度等。工作溫度范圍為-40℃至150℃，非常適合汽車啟停系統應用。

ADAS采用混合線性/開關電源方案，以增加輸出功率。

隨著汽車主動安全系統的重要性日益提高，ADAS已從高端汽車應用逐步擴展到中端汽車。它通過幫助駕駛員控制車輛的復雜過程，如自適應巡航控制、盲點監測、車道偏離警告、夜視、車道保持輔助以及具有自動轉向和制動措施的碰撞警告系統，提供更安全、更方便的駕駛體驗。下一代ADAS將進一步實現駕駛體驗自動化，例如：使用智能手機應用程序輔助自動泊車；

搭載V2X通信系統可以實現車輛之間或車輛與外部環境之間的即時信息交換，從而大大緩解交通擁堵，減少交通事故。通過電介質雷達傳感器平臺識別事故隱患，做出靈敏反應并獨立采取行動，在降低成本的同時提供多種安全功能。

圖1：高級駕駛員輔助系統（ADAS）

[第頁]

這需要基于系統的芯片（SBC）通過以太網等通信技術成功連接車輛的所有部件，如攝像頭、GPS、雷達和旋轉編碼器。由于ADAS高度集成的復雜性，系統設計者需要為ADAS選擇高精度、可定制的電源和電源模塊，并為電源提供特殊功能，如看門狗功能、電源監控冗余功能和電壓監控功能，以確保汽車的安全完整性（ASLI）B級符合ISO26262標準，實現整車的功能安全和更安全的駕駛體驗。

圖2：實現ADAS集成要求的以太網SBC技術

駕駛信息系統采用開關電源方案，以減少瞬態電流。

駕駛信息系統包括車內外的信息系統、通信系統和娛樂系統，是汽車發展的主要部分。油耗、車速、導航、娛樂和ADAS等信息可以通過儀表板和中控面板顯示給駕駛員。英偉達、英特爾等制造商不斷提高系統集成能力，開發智能解決方案，通過圖形處理器集成和連接各種車輛的功能。由于系統中需要大量計算，因此駕駛信息系統屬于大功率應用，可以采用開關電源方案。單相/多相開關電源作為驅動信息系統的關鍵技術，可以根據實時使用情況調整動態電壓，減少不必要的功耗。安信半導體的NCV8901xx系列是一款集成降壓開關電源的轉換器，輸出電流為1.2A，工作頻率為2MHz，輸入電壓范圍為4.5V至36V，甩負載電壓為40V，芯片工作結溫度為-40℃至150℃，體積小，輸出精度高，可用于驅動信息系統。

汽車電源正向48V系統發展

為了應對日益增長的節能減排需求/規格，輕型48V系統的銷量近十年來一直在增長。48V結構由12V和48V網絡組成，它們通過雙向輸出SMPS連接。與傳統的12V或14V網絡相結合，鉛酸電池與大多數傳統車輛一樣使用。48V鋰離子電池配有獨立的48V網絡。12V網絡處理傳統負載：照明、點火、娛樂、音頻系統和電子模塊。48V系統支持主動底盤系統、空調壓縮機和再生制動。48V結構的關鍵優勢在于，它結合了雙壓力設定和眾所周知的啟停技術的優勢，可以更有效地捕獲車輛的制動能量，為不斷增加的電氣負載提供更高的功率，并將燃油效率提高高達15%。此外，它還減少了傳輸到負載的電流和線束的重量，從而提高了電源的能源效率。

標簽

汽車工業的發展趨勢要求汽車電源的設計。工程師必須根據具體情況和綜合因素靈活選擇方案，例如在啟停系統中使用預升壓控制器，在ADAS中考慮混合開關電源，在駕駛信息系統中使用純開關電源等。為了進一步提高燃油效率，48V架構/系統也在討論中。總之，汽車電源的設計必須以提供更高的能源效率為核心目標，同時遵守政府的相關規定，滿足消費者日益增長的期望。電動化、智能化、互聯互通正成為汽車發展的新趨勢。許多電子系統，例如星……

提高燃油經濟性的停車系統、提高主動安全性的高級駕駛員輔助系統（ADAS）以及作為新一代智能交通基礎的駕駛信息系統，越來越多地被電動汽車設計師所采用。多系統的集成不僅提高了汽車的駕駛體驗，也給汽車電源的設計帶來了挑戰。汽車電源必須提供更高的能源效率和更低的能源消耗，以適應汽車工業的發展，并滿足各種環境法規和安全標準。

線性方案的開關電源及其設計考慮

在功率轉換過程中，不可避免地會產生熱量，調節器的散熱會損失一些功率，因此輸出功率不能等于輸入功率。傳統的線性調節器會在這個過程中消耗大部分能量，無法滿足當前高功率需求的應用。我們假設使用線性調節器時需要2.5W的額定功率、5V的輸出電壓和0.5A的輸出電流，因此需要6W的輸入功率，能效（即輸出功率除以輸入功率的比值）僅為41%，損耗高達59%！

在同樣的情況下，開關電源只需要2.8W的輸入功率，能效高達90%。

因此，設計工程師可以使用開關電源來提高系統的能源效率，但開關方案也有缺點。由于其反饋回路復雜，與線性方案相比，外部元件更多，PCB面積更大，并且開關的性質導致其降噪性能較差，因此在設計過程中應考慮反饋回路的設計、外部元件的數量、PCB面積、瞬態電流和電磁干擾，以減輕其缺點。

1.反饋回路的設計

為與輸出阻抗匹配的后調節器選擇合適的負輸入電阻器，以避免振蕩，達到穩定輸出的目的；

有效地使用仿真工具來理解頻域中的頻率補償；頻率補償可以通過選擇單極響應控制方案來實現。

2.外部組件數量

集成電源開關可以減少布線尺寸，比非車載電源開關功耗更低，并且更易于設計。

3.電路板區域

減小電感器和電容器的尺寸減少了板面積，增加了開關頻率，提高了能源效率，削弱了PCB的電磁輻射和電磁干擾。然而，應注意盡量減少導通和開關損耗，并降低噪聲。

4.瞬態電流

將線性調節器與開關電源并聯可以減少瞬態電流，稱為混合開關電源。并且可以根據線路負載在恒定的接通和斷開條件下進行脈沖頻率調制。

5.電磁干擾

減少環路面積，優化PCB布局，從而削弱電路之間的干擾；

避免電壓調節器和系統環境產生的敏感頻帶；

采用擴頻調制技術，確定光譜含量和解耦方案，降低發射峰值。

在汽車應用中，有必要考慮電源管理模塊日益增加的復雜性、處理更高電流、低轉儲、雙電池傳輸甚至最小工作電流的能力等，并為系統選擇合適的節能電源方案。

用于低壓啟動的混合線性/開關電源方案

在各國推動越來越嚴格的燃油經濟性標準和標準化的二氧化碳排放協議的背景下，市場對啟停系統的需求正在增加。所謂的啟停系統，即當汽車在行駛過程中臨時停車時，自動關閉發動機，當需要繼續行駛時，系統自動重新啟動內燃機，從而減少發動機的怠速時間，減少油耗和二氧化碳排放。

內燃機不能自行啟動，因此需要外力來觸發燃燒循環。這就是使用起動馬達的地方。當插入點火開關鑰匙并將開關轉到“ON”位置時，起動馬達啟動。然而，啟動電機和起動發動機所需的電流量非常大，這導致汽車在啟動階段的電池電壓顯著下降。為了避免啟動過程中的電壓下降，可以在降壓調節器和電池供電的LDO之間添加啟停預增壓器，該預增壓器基于點火開關的打開和閉合，以滿足啟停系統的低電壓啟動。前置升壓器通常采用大功率集中式多相升壓器和分布式低功率單相升壓器，以避免電壓暫降引起的異常，并符合12 V系統的ISO 16750標準。例如，安信半導體的異步升壓控制器NCV8876在2V至45V的輸入電壓下工作，可以在冷啟動和45V負載突然下降的情況下工作。其工作原理是：當電池電壓正常時，NCV8876進入睡眠模式；

當電池電壓降至設定電壓時，NCV8876會自動喚醒并開始升壓。NCV8876還集成了多種保護功能，如逐周期限制電流保護、間歇模式過電流保護和過熱停機。其他特性包括：峰值電流檢測、最小COMP電壓箝位可以提高開關過程中的響應速度等。工作溫度范圍為-40℃至150℃，非常適合汽車啟停系統應用。

ADAS采用混合線性/開關電源方案，以增加輸出功率。

隨著汽車主動安全系統的重要性日益提高，ADAS已從高端汽車應用逐步擴展到中端汽車。它通過幫助駕駛員控制車輛的復雜過程，如自適應巡航控制、盲點監測、車道偏離警告、夜視、車道保持輔助以及具有自動轉向和制動措施的碰撞警告系統，提供更安全、更方便的駕駛體驗。下一代ADAS將進一步實現駕駛體驗自動化，例如：使用智能手機應用程序輔助自動泊車；

搭載V2X通信系統可以實現車輛之間或車輛與外部環境之間的即時信息交換，從而大大緩解交通擁堵，減少交通事故。通過電介質雷達傳感器平臺識別事故隱患，做出靈敏反應并獨立采取行動，在降低成本的同時提供多種安全功能。

圖1：高級駕駛員輔助系統（ADAS）

[第頁]

這需要基于系統的芯片（SBC）通過以太網等通信技術成功連接車輛的所有部件，如攝像頭、GPS、雷達和旋轉編碼器。由于ADAS高度集成的復雜性，系統設計者需要為ADAS選擇高精度、可定制的電源和電源模塊，并為電源提供特殊功能，如看門狗功能、電源監控冗余功能和電壓監控功能，以確保汽車的安全完整性（ASLI）B級符合ISO26262標準，實現整車的功能安全和更安全的駕駛體驗。

圖2：實現ADAS集成要求的以太網SBC技術

駕駛信息系統采用開關電源方案，以減少瞬態電流。

駕駛信息系統包括車內外的信息系統、通信系統和娛樂系統，是汽車發展的主要部分。油耗、車速、導航、娛樂和ADAS等信息可以通過儀表板和中控面板顯示給駕駛員。英偉達、英特爾等制造商不斷提高系統集成能力，開發智能解決方案，通過圖形處理器集成和連接各種車輛的功能。由于系統中需要大量計算，因此駕駛信息系統屬于大功率應用，可以采用開關電源方案。單相/多相開關電源作為驅動信息系統的關鍵技術，可以根據實時使用情況調整動態電壓，減少不必要的功耗。安信半導體的NCV8901xx系列是一款集成降壓開關電源的轉換器，輸出電流為1.2A，工作頻率為2MHz，輸入電壓范圍為4.5V至36V，甩負載電壓為40V，芯片工作結溫度為-40℃至150℃，體積小，輸出精度高，可用于驅動信息系統。

汽車電源正向48V系統發展

為了應對日益增長的節能減排需求/規格，輕型48V系統的銷量近十年來一直在增長。48V結構由12V和48V網絡組成，它們通過雙向輸出SMPS連接。與傳統的12V或14V網絡相結合，鉛酸電池與大多數傳統車輛一樣使用。48V鋰離子電池配有獨立的48V網絡。12V網絡處理傳統負載：照明、點火、娛樂、音頻系統和電子模塊。48V系統支持主動底盤系統、空調壓縮機和再生制動。48V結構的關鍵優勢在于，它結合了雙壓力設定和眾所周知的啟停技術的優勢，可以更有效地捕獲車輛的制動能量，為不斷增加的電氣負載提供更高的功率，并將燃油效率提高高達15%。此外，它還減少了傳輸到負載的電流和線束的重量，從而提高了電源的能源效率。

標簽

汽車工業的發展趨勢要求汽車電源的設計。工程師必須根據具體情況和綜合因素靈活選擇方案，例如在啟停系統中使用預升壓控制器，在ADAS中考慮混合開關電源，在駕駛信息系統中使用純開關電源等。為了進一步提高燃油效率，48V架構/系統也在討論中。總之，汽車電源的設計必須以提供更高的能源效率為核心目標，同時遵守政府的相關規定，滿足消費者日益增長的期望。

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