电动汽车电源设计挑战及考量 ADAS中考虑混合开关电源

电动化、智能化、互联互通正成为汽车发展的新趋势。许多电子系统，如提高燃油经济性的启停系统、提高主动安全性的高级驾驶员辅助系统（ADAS），以及作为新一代智能交通基础的驾驶信息系统，越来越多地被电动汽车设计师采用。多系统的集成不仅提高了汽车的驾驶体验，也给汽车电源的设计带来了挑战。汽车电源必须提供更高的能源效率和更低的能源消耗，以适应汽车工业的发展，并满足各种环境法规和安全标准。

线性方案的开关电源及其设计考虑

在功率转换过程中，不可避免地会产生热量，调节器的散热会损失一些功率，因此输出功率不能等于输入功率。传统的线性调节器会在这个过程中消耗大部分能量，无法满足当前高功率需求的应用。我们假设使用线性调节器时需要2.5W的额定功率、5V的输出电压和0.5A的输出电流，因此需要6W的输入功率，能效（即输出功率除以输入功率的比值）仅为41%，损耗高达59%！

在同样的情况下，开关电源只需要2.8W的输入功率，能效高达90%。

因此，设计工程师可以使用开关电源来提高系统的能源效率，但开关方案也有缺点。由于其反馈回路复杂，与线性方案相比，外部元件更多，PCB面积更大，并且开关的性质导致其降噪性能较差，因此在设计过程中应考虑反馈回路的设计、外部元件的数量、PCB面积、瞬态电流和电磁干扰，以减轻其缺点。

1.反馈回路的设计

为与输出阻抗匹配的后调节器选择合适的负输入电阻器，以避免振荡，达到稳定输出的目的；

有效地使用仿真工具来理解频域中的频率补偿；频率补偿可以通过选择单极响应控制方案来实现。

2.外部组件数量

集成电源开关可以减少布线尺寸，比非车载电源开关功耗更低，并且更易于设计。

3.电路板区域

减小电感器和电容器的尺寸减少了板面积，增加了开关频率，提高了能源效率，削弱了PCB的电磁辐射和电磁干扰。然而，应注意尽量减少导通和开关损耗，并降低噪声。

4.瞬态电流

将线性调节器与开关电源并联可以减少瞬态电流，称为混合开关电源。并且可以根据线路负载在恒定的接通和断开条件下进行脉冲频率调制。

5.电磁干扰

减少环路面积，优化PCB布局，从而削弱电路之间的干扰；

避免电压调节器和系统环境产生的敏感频带；

采用扩频调制技术，确定光谱含量和解耦方案，降低发射峰值。

在汽车应用中，有必要考虑电源管理模块日益增加的复杂性、处理更高电流、低转储、双电池传输甚至最小工作电流的能力等，并为系统选择合适的节能电源方案。

用于低压启动的混合线性/开关电源方案

在各国推动越来越严格的燃油经济性标准和标准化的二氧化碳排放协议的背景下，市场对启停系统的需求正在增加。所谓的启停系统，即当汽车在行驶过程中临时停车时，自动关闭发动机，当需要继续行驶时，系统自动重新启动内燃机，从而减少发动机的怠速时间，减少油耗和二氧化碳排放。

内燃机不能自行启动，因此需要外力来触发燃烧循环。这就是使用起动马达的地方。当插入点火开关钥匙并将开关转到“ON”位置时，起动马达启动。然而，启动电机和起动发动机所需的电流量非常大，这导致汽车在启动阶段的电池电压显著下降。为了避免启动过程中的电压下降，可以在降压调节器和电池供电的LDO之间添加启停预增压器，该预增压器基于点火开关的打开和闭合，以满足启停系统的低电压启动。前置升压器通常采用大功率集中式多相升压器和分布式低功率单相升压器，以避免电压暂降引起的异常，并符合12 V系统的ISO 16750标准。例如，安信半导体的异步升压控制器NCV8876在2V至45V的输入电压下工作，可以在冷启动和45V负载突然下降的情况下工作。其工作原理是：当电池电压正常时，NCV8876进入睡眠模式；

当电池电压降至设定电压时，NCV8876会自动唤醒并开始升压。NCV8876还集成了多种保护功能，如逐周期限制电流保护、间歇模式过电流保护和过热停机。其他特性包括：峰值电流检测、最小COMP电压箝位可以提高开关过程中的响应速度等。工作温度范围为-40℃至150℃，非常适合汽车启停系统应用。

ADAS采用混合线性/开关电源方案，以增加输出功率。

随着汽车主动安全系统的重要性日益提高，ADAS已从高端汽车应用逐步扩展到中端汽车。它通过帮助驾驶员控制车辆的复杂过程，如自适应巡航控制、盲点监测、车道偏离警告、夜视、车道保持辅助以及具有自动转向和制动措施的碰撞警告系统，提供更安全、更方便的驾驶体验。下一代ADAS将进一步实现驾驶体验自动化，例如：使用智能手机应用程序辅助自动泊车；

搭载V2X通信系统可以实现车辆之间或车辆与外部环境之间的即时信息交换，从而大大缓解交通拥堵，减少交通事故。通过电介质雷达传感器平台识别事故隐患，做出灵敏反应并独立采取行动，在降低成本的同时提供多种安全功能。

图1：高级驾驶员辅助系统（ADAS）

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这需要基于系统的芯片（SBC）通过以太网等通信技术成功连接车辆的所有部件，如摄像头、GPS、雷达和旋转编码器。由于ADAS高度集成的复杂性，系统设计者需要为ADAS选择高精度、可定制的电源和电源模块，并为电源提供特殊功能，如看门狗功能、电源监控冗余功能和电压监控功能，以确保汽车的安全完整性（ASLI）B级符合ISO26262标准，实现整车的功能安全和更安全的驾驶体验。

图2：实现ADAS集成要求的以太网SBC技术

驾驶信息系统采用开关电源方案，以减少瞬态电流。

驾驶信息系统包括车内外的信息系统、通信系统和娱乐系统，是汽车发展的主要部分。油耗、车速、导航、娱乐和ADAS等信息可以通过仪表板和中控面板显示给驾驶员。英伟达、英特尔等制造商不断提高系统集成能力，开发智能解决方案，通过图形处理器集成和连接各种车辆的功能。由于系统中需要大量计算，因此驾驶信息系统属于大功率应用，可以采用开关电源方案。单相/多相开关电源作为驱动信息系统的关键技术，可以根据实时使用情况调整动态电压，减少不必要的功耗。安信半导体的NCV8901xx系列是一款集成降压开关电源的转换器，输出电流为1.2A，工作频率为2MHz，输入电压范围为4.5V至36V，甩负载电压为40V，芯片工作结温度为-40℃至150℃，体积小，输出精度高，可用于驱动信息系统。

汽车电源正向48V系统发展

为了应对日益增长的节能减排需求/规格，轻型48V系统的销量近十年来一直在增长。48V结构由12V和48V网络组成，它们通过双向输出SMPS连接。与传统的12V或14V网络相结合，铅酸电池与大多数传统车辆一样使用。48V锂离子电池配有独立的48V网络。12V网络处理传统负载：照明、点火、娱乐、音频系统和电子模块。48V系统支持主动底盘系统、空调压缩机和再生制动。48V结构的关键优势在于，它结合了双压力设定和众所周知的启停技术的优势，可以更有效地捕获车辆的制动能量，为不断增加的电气负载提供更高的功率，并将燃油效率提高高达15%。此外，它还减少了传输到负载的电流和线束的重量，从而提高了电源的能源效率。

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汽车工业的发展趋势要求汽车电源的设计。工程师必须根据具体情况和综合因素灵活选择方案，例如在启停系统中使用预升压控制器，在ADAS中考虑混合开关电源，在驾驶信息系统中使用纯开关电源等。为了进一步提高燃油效率，48V架构/系统也在讨论中。总之，汽车电源的设计必须以提供更高的能源效率为核心目标，同时遵守政府的相关规定，满足消费者日益增长的期望。电动化、智能化、互联互通正成为汽车发展的新趋势。许多电子系统，例如星……

提高燃油经济性的停车系统、提高主动安全性的高级驾驶员辅助系统（ADAS）以及作为新一代智能交通基础的驾驶信息系统，越来越多地被电动汽车设计师所采用。多系统的集成不仅提高了汽车的驾驶体验，也给汽车电源的设计带来了挑战。汽车电源必须提供更高的能源效率和更低的能源消耗，以适应汽车工业的发展，并满足各种环境法规和安全标准。

线性方案的开关电源及其设计考虑

在功率转换过程中，不可避免地会产生热量，调节器的散热会损失一些功率，因此输出功率不能等于输入功率。传统的线性调节器会在这个过程中消耗大部分能量，无法满足当前高功率需求的应用。我们假设使用线性调节器时需要2.5W的额定功率、5V的输出电压和0.5A的输出电流，因此需要6W的输入功率，能效（即输出功率除以输入功率的比值）仅为41%，损耗高达59%！

在同样的情况下，开关电源只需要2.8W的输入功率，能效高达90%。

因此，设计工程师可以使用开关电源来提高系统的能源效率，但开关方案也有缺点。由于其反馈回路复杂，与线性方案相比，外部元件更多，PCB面积更大，并且开关的性质导致其降噪性能较差，因此在设计过程中应考虑反馈回路的设计、外部元件的数量、PCB面积、瞬态电流和电磁干扰，以减轻其缺点。

1.反馈回路的设计

为与输出阻抗匹配的后调节器选择合适的负输入电阻器，以避免振荡，达到稳定输出的目的；

有效地使用仿真工具来理解频域中的频率补偿；频率补偿可以通过选择单极响应控制方案来实现。

2.外部组件数量

集成电源开关可以减少布线尺寸，比非车载电源开关功耗更低，并且更易于设计。

3.电路板区域

减小电感器和电容器的尺寸减少了板面积，增加了开关频率，提高了能源效率，削弱了PCB的电磁辐射和电磁干扰。然而，应注意尽量减少导通和开关损耗，并降低噪声。

4.瞬态电流

将线性调节器与开关电源并联可以减少瞬态电流，称为混合开关电源。并且可以根据线路负载在恒定的接通和断开条件下进行脉冲频率调制。

5.电磁干扰

减少环路面积，优化PCB布局，从而削弱电路之间的干扰；

避免电压调节器和系统环境产生的敏感频带；

采用扩频调制技术，确定光谱含量和解耦方案，降低发射峰值。

在汽车应用中，有必要考虑电源管理模块日益增加的复杂性、处理更高电流、低转储、双电池传输甚至最小工作电流的能力等，并为系统选择合适的节能电源方案。

用于低压启动的混合线性/开关电源方案

在各国推动越来越严格的燃油经济性标准和标准化的二氧化碳排放协议的背景下，市场对启停系统的需求正在增加。所谓的启停系统，即当汽车在行驶过程中临时停车时，自动关闭发动机，当需要继续行驶时，系统自动重新启动内燃机，从而减少发动机的怠速时间，减少油耗和二氧化碳排放。

内燃机不能自行启动，因此需要外力来触发燃烧循环。这就是使用起动马达的地方。当插入点火开关钥匙并将开关转到“ON”位置时，起动马达启动。然而，启动电机和起动发动机所需的电流量非常大，这导致汽车在启动阶段的电池电压显著下降。为了避免启动过程中的电压下降，可以在降压调节器和电池供电的LDO之间添加启停预增压器，该预增压器基于点火开关的打开和闭合，以满足启停系统的低电压启动。前置升压器通常采用大功率集中式多相升压器和分布式低功率单相升压器，以避免电压暂降引起的异常，并符合12 V系统的ISO 16750标准。例如，安信半导体的异步升压控制器NCV8876在2V至45V的输入电压下工作，可以在冷启动和45V负载突然下降的情况下工作。其工作原理是：当电池电压正常时，NCV8876进入睡眠模式；

当电池电压降至设定电压时，NCV8876会自动唤醒并开始升压。NCV8876还集成了多种保护功能，如逐周期限制电流保护、间歇模式过电流保护和过热停机。其他特性包括：峰值电流检测、最小COMP电压箝位可以提高开关过程中的响应速度等。工作温度范围为-40℃至150℃，非常适合汽车启停系统应用。

ADAS采用混合线性/开关电源方案，以增加输出功率。

随着汽车主动安全系统的重要性日益提高，ADAS已从高端汽车应用逐步扩展到中端汽车。它通过帮助驾驶员控制车辆的复杂过程，如自适应巡航控制、盲点监测、车道偏离警告、夜视、车道保持辅助以及具有自动转向和制动措施的碰撞警告系统，提供更安全、更方便的驾驶体验。下一代ADAS将进一步实现驾驶体验自动化，例如：使用智能手机应用程序辅助自动泊车；

搭载V2X通信系统可以实现车辆之间或车辆与外部环境之间的即时信息交换，从而大大缓解交通拥堵，减少交通事故。通过电介质雷达传感器平台识别事故隐患，做出灵敏反应并独立采取行动，在降低成本的同时提供多种安全功能。

图1：高级驾驶员辅助系统（ADAS）

[第页]

这需要基于系统的芯片（SBC）通过以太网等通信技术成功连接车辆的所有部件，如摄像头、GPS、雷达和旋转编码器。由于ADAS高度集成的复杂性，系统设计者需要为ADAS选择高精度、可定制的电源和电源模块，并为电源提供特殊功能，如看门狗功能、电源监控冗余功能和电压监控功能，以确保汽车的安全完整性（ASLI）B级符合ISO26262标准，实现整车的功能安全和更安全的驾驶体验。

图2：实现ADAS集成要求的以太网SBC技术

驾驶信息系统采用开关电源方案，以减少瞬态电流。

驾驶信息系统包括车内外的信息系统、通信系统和娱乐系统，是汽车发展的主要部分。油耗、车速、导航、娱乐和ADAS等信息可以通过仪表板和中控面板显示给驾驶员。英伟达、英特尔等制造商不断提高系统集成能力，开发智能解决方案，通过图形处理器集成和连接各种车辆的功能。由于系统中需要大量计算，因此驾驶信息系统属于大功率应用，可以采用开关电源方案。单相/多相开关电源作为驱动信息系统的关键技术，可以根据实时使用情况调整动态电压，减少不必要的功耗。安信半导体的NCV8901xx系列是一款集成降压开关电源的转换器，输出电流为1.2A，工作频率为2MHz，输入电压范围为4.5V至36V，甩负载电压为40V，芯片工作结温度为-40℃至150℃，体积小，输出精度高，可用于驱动信息系统。

汽车电源正向48V系统发展

为了应对日益增长的节能减排需求/规格，轻型48V系统的销量近十年来一直在增长。48V结构由12V和48V网络组成，它们通过双向输出SMPS连接。与传统的12V或14V网络相结合，铅酸电池与大多数传统车辆一样使用。48V锂离子电池配有独立的48V网络。12V网络处理传统负载：照明、点火、娱乐、音频系统和电子模块。48V系统支持主动底盘系统、空调压缩机和再生制动。48V结构的关键优势在于，它结合了双压力设定和众所周知的启停技术的优势，可以更有效地捕获车辆的制动能量，为不断增加的电气负载提供更高的功率，并将燃油效率提高高达15%。此外，它还减少了传输到负载的电流和线束的重量，从而提高了电源的能源效率。

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汽车工业的发展趋势要求汽车电源的设计。工程师必须根据具体情况和综合因素灵活选择方案，例如在启停系统中使用预升压控制器，在ADAS中考虑混合开关电源，在驾驶信息系统中使用纯开关电源等。为了进一步提高燃油效率，48V架构/系统也在讨论中。总之，汽车电源的设计必须以提供更高的能源效率为核心目标，同时遵守政府的相关规定，满足消费者日益增长的期望。

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