車載信息娛樂系統(tǒng)中的電源設(shè)計(jì)（上）

汽車車載信息娛樂系統(tǒng)，又稱車機(jī)，是基于車身總線系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)而形成的車載綜合信息處理系統(tǒng)。近年來，隨著人們對駕駛、信息、娛樂、安全等各方面需求的提升，汽車的集成化、模塊化程度越來越高。這為車機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)帶來新的挑戰(zhàn)，其中電源設(shè)計(jì)首當(dāng)其沖。

【導(dǎo)讀】汽車車載信息娛樂系統(tǒng)，又稱車機(jī)，是基于車身總線系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)而形成的車載綜合信息處理系統(tǒng)。近年來，隨著人們對駕駛、信息、娛樂、安全等各方面需求的提升，汽車的集成化、模塊化程度越來越高。這為車機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)帶來新的挑戰(zhàn)，其中電源設(shè)計(jì)首當(dāng)其沖。

本文為汽車車機(jī)系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)系列文章之上篇，主要介紹一級電源和二級電源的特性，下篇將專門介紹環(huán)視攝像頭的電源解決方案以及通用的汽車USB連接端口。

車機(jī)的典型電源架構(gòu)如圖1所示。一般而言，系統(tǒng)MCU和CAN模塊通過一級LDO供電，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測和喚醒。兩個(gè)DC/DC變換器用于給主處理器核心板和其他外設(shè)模塊供電，諸如串行器、解串器和tuner IC等。攝像頭模組由獨(dú)立的供電單元供電。另外，還有專門的USB充電器IC為車機(jī)前面板的USB端口提供電力。

圖1: 車機(jī)系統(tǒng)的典型電源架構(gòu)

下面，我們來討論決定選型的一級電源和二級電源關(guān)鍵特性。

一級供電電源的特性

系統(tǒng)一級供電電源直接連接車載蓄電池，其重要性不言而喻。一方面，它需要承受來自車載蓄電池的各種極端瞬態(tài)工況，比如ISO7637-汽車電源線瞬態(tài)干擾抗擾性測試；另一方面，還需要滿足相應(yīng)的EMI測試標(biāo)準(zhǔn)，避免設(shè)備本身對蓄電池上的其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。

MPS提供的頻率可調(diào)、同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器MPQ4436A可以滿足上述要求，其主要性能如下所列：

?3.3V至45V的寬工作電壓范圍

?6A連續(xù)輸出電流(IOUT)

?18uA睡眠模式靜態(tài)電流(IQ)

?內(nèi)置48 m?上管（HS-FET）/20m? 下管（LS-FET）MOSFET

?支持頻譜擴(kuò)展功能（FSS）以實(shí)現(xiàn)低EMI

?符合AECQ-100等級1認(rèn)證

更強(qiáng)的電源線抗擾能力

MPQ4436A的輸入電壓范圍(VIN)支持最高50V的耐受電壓。對于ISO7637中規(guī)定的Pulse 5a/b（Load Dump）測試，該器件對濾波后的殘壓留有較大的安全裕量。

MPQ4436A的輸入電壓可低至3.3V，寬工作電壓范圍可輕松應(yīng)對ISO7637中規(guī)定的Pulse 4(Cold Crank)測試。

圖2所示為ISO7637 pulse 5a/b（load dump）測試脈沖。

圖3所示為Pulse 4（cold crank）測試脈沖

圖3: Pulse 4（cold crank）測試脈沖

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卓越的EMI性能

MPQ4436A在芯片設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了EMI的優(yōu)化，具體措施如下：

1.采用開關(guān)頻率(fSW)展頻技術(shù)。MPQ4436A采用頻率擴(kuò)展功能（FSS）來改善大電流下的EMI，它通過在開關(guān)頻率點(diǎn)附近加入±10%的頻率抖動，大大降低了峰值EMI噪聲。

2.采用對稱引腳封裝設(shè)計(jì)。MPQ4436A 采用對稱的引腳封裝設(shè)計(jì)，同時(shí)合理布局高頻環(huán)路、VIN與GND，并對稱放置高頻電容以形成磁場抵消效應(yīng)。VIN、SW和OUT引腳的對稱布局如圖4所示。

圖4: 對稱引腳封裝布局

圖5顯示了MPQ4436A的封裝設(shè)計(jì)。

圖5: MPQ4436A封裝設(shè)計(jì)

MPQ4436A可以直接通過 CISPR25 Class 5 標(biāo)準(zhǔn)測試。圖 6 顯示了其平均傳導(dǎo)發(fā)射。

圖6: MPQ4436A 的平均傳導(dǎo)發(fā)射

圖 7 顯示了 MPQ4436A的平均輻射發(fā)射。

圖7: MPQ4436A 的平均輻射發(fā)射

緊湊的封裝和良好的散熱性能

MPQ4436A采用QFN-20 (4mmx4mm)封裝，省去了2個(gè)MOSFET和一個(gè)采樣電阻。

憑借更小的解決方案尺寸，MPQ4436A得以具備優(yōu)秀的散熱特性。如圖8所示，在12V至5V的壓降條件下，溫升僅為36°。

圖8: MPQ4436A在6A條件下的溫升

圖 9 顯示了實(shí)現(xiàn)高效散熱的MPQ4436A 緊湊型封裝。

圖9: MPQ4436A的緊湊型封裝

支持錯(cuò)相并聯(lián)

車機(jī)應(yīng)用中，很多時(shí)候需要大電流進(jìn)行平臺設(shè)計(jì)，MPQ4436A提供并聯(lián)運(yùn)行以支持這種應(yīng)用。例如，兩片MPQ4436A可以并聯(lián)運(yùn)行，并錯(cuò)相180°輸出。在增加輸出功率的同時(shí)，由于其輸入錯(cuò)相后相互疊加，降低了輸入電流紋波，從而進(jìn)一步改善了EMI（如圖10所示）。

圖10: 兩片MPQ4436A的并聯(lián)運(yùn)行

二級供電電源的特性

二級電源一般用于為系統(tǒng)中的高速通信塊（如解串器/串行器）、調(diào)制IC、系統(tǒng)存儲以及其他外設(shè)供電，這些外設(shè)通常具有特殊的上下電時(shí)序要求，從而帶來一定的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

MPS公司的MPQ2166A是一款具有脈寬調(diào)制 (PWM) 和內(nèi)部補(bǔ)償功能的雙通道同步降壓穩(wěn)壓器，它能夠滿足上述的需求。

緊湊的封裝和對稱布局

MPQ2166A是一款緊湊型二合一降壓變換器，采用小尺寸QFN-18 (2.5mmx3.5mm)封裝。該器件最高支持3MHz的開關(guān)頻率(fSW)，這進(jìn)一步減少了外圍電感電容的數(shù)量。

對稱的引腳分布（見圖11）有助于減低EMI，而錯(cuò)相180°運(yùn)行的雙通道更進(jìn)一步改善了EMI。

圖11: MPQ2166A的對稱引腳分布

更利于多電源軌設(shè)計(jì)

MPQ2166A為每個(gè)通道都提供獨(dú)立的EN/SS/PG引腳，這便于調(diào)整每個(gè)通道的上電時(shí)序，同時(shí)分別監(jiān)控每路電源的狀態(tài)（如圖12）。

圖12: 獨(dú)立EN/SS/PG引腳

MPQ2166A支持兩路電流的靈活分配，可配置為2A/2A或3A/1A。

結(jié)論

電源設(shè)計(jì)是車機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的重要考量因素。本文介紹了車機(jī)電源需求，以及MPQ4436A實(shí)現(xiàn)一級電源和MPQ2166A實(shí)現(xiàn)二級電源所具備的優(yōu)勢。本系列文章的下篇將探討攝像頭電源和USB 充電方面的挑戰(zhàn)。

審核編輯：湯梓紅