汽车电源管理系统小型化设计：这道必答题，该如何解？

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，使得外围元件占位面积更小。

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同样支持外部元件的小型化，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或分立式元件相比，MAX20480在提高可靠性的同时大大降低了所需元件的数量，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。