你的位置:首頁 > 電源管理 > 正文

汽車SoC電源架構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2022-12-23 來源:MPS 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】隨著高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 和信息娛樂系統(tǒng)的片上系統(tǒng) (SoC) 計(jì)算能力不斷提高,這對(duì)功率提出了更高的需求。一個(gè) SoC 可能需要 10 多種不同的電源軌,電流范圍也從數(shù)百安(A) 到幾毫安。為這些應(yīng)用設(shè)計(jì)最佳電源架構(gòu)絕非易事。本文將討論如何為汽車 SoC 設(shè)計(jì)最佳電源架構(gòu),尤其是預(yù)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。


汽車電池面臨的挑戰(zhàn)


汽車環(huán)境中的 12V 電池總線可能面臨各種壓力源,例如汽車行駛期間產(chǎn)生的瞬態(tài)過壓 (OV) 和欠壓 (UV) 情況。因此,能夠工作在PC 12V 總線上的大多數(shù)DC/DC 集成電路 (IC) 并不適合汽車應(yīng)用。汽車應(yīng)用需要一個(gè)預(yù)調(diào)節(jié)器來為低電壓 DC/DC IC 做準(zhǔn)備。預(yù)調(diào)節(jié)器應(yīng)生成干凈的總線(通常為 5V 或 3.3V),使核心 VR 和其他變換器能夠順利運(yùn)行。


片上系統(tǒng) (SoC)的電源要求


在開發(fā)初期,SoC 的電源要求中通常會(huì)給出每個(gè)電源軌的電壓和電流額定值,以及系統(tǒng)需要支持的預(yù)期瞬態(tài)電流。電源架構(gòu)師的工作是將這些信息轉(zhuǎn)換為可理解的系統(tǒng)級(jí)圖表,進(jìn)而開始硬件設(shè)計(jì)。表 1 顯示了 一個(gè)SoC 電源要求示例。


表1: SoC電源要求

1669379610289907.png


注意:


1) 電壓容差包括變換器的直流電壓精度、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和 IR 壓降。 


圖 1 顯示了根據(jù) SoC 電源要求得到的電源樹。 


1669379592153269.jpg

圖1: 電源樹


注意,圖中有兩個(gè)預(yù)調(diào)節(jié)器用于將每個(gè)變換器的輸出功率限制在 50W 左右。采用兩個(gè)預(yù)調(diào)節(jié)器可以讓設(shè)計(jì)人員有更廣的 IC 選擇范圍。


選擇預(yù)調(diào)節(jié)器拓?fù)?/p>


設(shè)計(jì)預(yù)調(diào)節(jié)器的第一個(gè)步驟是確定其拓?fù)?。根?jù)所需的工作條件,預(yù)調(diào)節(jié)器可以是降壓變換器、升降壓變換器,或者降壓和升壓變換器的組合。


如果要求系統(tǒng)可以在熱啟動(dòng)條件下運(yùn)行,但也可以在更嚴(yán)苛的冷啟動(dòng)條件下短暫關(guān)斷,則建議選擇降壓變換器拓?fù)湟詢?yōu)化成本與效率;如果要求任一電路的電壓在熱啟動(dòng)條件下都超過 5V,則可以添加一個(gè)后升壓變換器來確保能為電路提供所需電壓;而如果要求電路也同時(shí)支持嚴(yán)苛的冷啟動(dòng)條件,那么選擇升降壓變換器可以確保系統(tǒng)在所有可能條件下均正常運(yùn)行。但要注意,升降壓變換器通常比簡單的降壓變換器更昂貴,效率也更低。本設(shè)計(jì)示例選用了降壓變換器。


設(shè)置總線電壓


拓?fù)浯_定之后,設(shè)計(jì)人員就需要考慮總線電壓了??偩€電壓通常為 3.3V 或 5V,它為所有下游變換器供電。大多數(shù)低電流 DC/DC IC 都可以在最高 5.5V 的電壓下工作,因此兩種總線電壓都可選。但帶控制器和 Intelli-PhaseTM 變換器的解決方案則必須在≥5V 的總線上運(yùn)行。


選擇低總線電壓的主要目的是降低成本,因?yàn)橹苯咏祲褐?3.3V 有些情況下可以減少變換器的使用數(shù)量;但當(dāng)電壓轉(zhuǎn)換至 5V 時(shí),它又需要較高的輸出電流。


預(yù)調(diào)節(jié)器的額定功率是應(yīng)用效率系數(shù)時(shí)其下游變換器輸出功率的總和。為簡單起見,我們假設(shè)所有變換器的效率都為 89%。預(yù)調(diào)節(jié)器 1 (PPRE-REG1) 的功率可以通過公式 (1) 來計(jì)算:


20.png


預(yù)調(diào)節(jié)器 2 (PPRE-REG2) 的功率可通過公式 (2) 估算:


1669379557260714.png


然后計(jì)算每個(gè)預(yù)調(diào)節(jié)器的輸出電流。使用公式 (3) 計(jì)算預(yù)調(diào)節(jié)器 1 的輸出電流 (IPRE-REG1_5V) :


22.png


使用公式 (4) 估算預(yù)調(diào)節(jié)器 2在3.3V 總線電壓下的輸出電流 (IPRE-REG2_3.3V) :


23.png


使用公式 (5) 估算預(yù)調(diào)節(jié)器 2在3.3V 總線電壓下的輸出電流 (IPRE-REG2_5V) :


24.png


由于系統(tǒng)額定功率較高,5V 總線電壓允許低于 3.3V 總線電壓的輸出電流。因此,建議選擇 5V 總線電壓,從而降低所需 DC/DC 變換器的復(fù)雜性。


選擇IC


確定拓?fù)渑c輸出負(fù)載之后,設(shè)計(jì)人員就可以選擇預(yù)調(diào)節(jié)器IC。該 IC 必須支持負(fù)載突降條件下的 42V 輸入電壓,并且能夠在熱啟動(dòng)條件下以低至 6V 的電壓工作。此外,輸出負(fù)載能力也應(yīng)≥11.5A,或者并聯(lián)兩個(gè)器件以達(dá)到該電流。由于功率水平相當(dāng),兩個(gè)預(yù)調(diào)節(jié)器可以采用相同的 IC。


MPQ4360-AEC1 是一款額定電流為 6A 的同步降壓變換器,它可在多相配置下工作以實(shí)現(xiàn) 12A 的輸出電流。交錯(cuò)多相操作可減小電磁輻射并允許使用更小的組件;與采用控制器和分立 FET 的解決方案相比,它具有PCB 布局更小的優(yōu)勢。該器件還具有22μA超低靜態(tài)電流(IQ),因此非常適合汽車應(yīng)用。圖 2 顯示了兩個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的 MPQ4360-AEC1。 


1669379523837254.jpg

圖 2:雙相 MPQ4360-AEC1 原理圖


圖 3 所示為雙相運(yùn)行的MPQ4360-AEC1 PCB 布局示例。該方案面積約為750mm2


1669379506668486.jpg

圖 3:雙相運(yùn)行MPQ4360-AEC1 器件的 PCB 布局


系統(tǒng)保護(hù)


電池總線有可能面臨危險(xiǎn)的反向電源電壓。如果系統(tǒng)不具備相應(yīng)的保護(hù)功能,則所有器件都可能被損壞。為了防止反向電流流動(dòng),通常會(huì)在輸入線上添加一個(gè)二極管。但二極管上有正向電壓 (VF);當(dāng)電流正常流過二極管時(shí), VF 會(huì)產(chǎn)生功耗。


SoC系統(tǒng)的額定功率通常大于100W; 對(duì)于 一個(gè)12V 電池來說,這意味著輸入電流可能超過 8A。而8A 對(duì)于一個(gè)簡單的二極管來說顯然過高;即使采用 VF 為 0.3V的肖特基二極管,功耗也會(huì)超過 2.4W。常用的替代方案是采用 P 溝道 MOSFET 來阻斷反向電流,但這些 MOSFET 可能無法在足夠長的時(shí)間內(nèi)保護(hù) IC 免受高頻交流電流的影響。


MPQ5850-AEC1 是一款可以保護(hù)系統(tǒng)免受反向電流影響的理想二極管控制器。該器件控制一個(gè)具有強(qiáng)大柵極驅(qū)動(dòng)能力的 N 溝道 MOSFET,可以快速阻斷任何反向電流流動(dòng)(見圖 4),從而以最低功耗提供反向電流保護(hù)。


1669379489661149.jpg

圖 4:MPQ5850-AEC1 理想二極管控制器


確定預(yù)調(diào)節(jié)器和保護(hù)器件之后,更新電源樹以反映所選組件(參見圖 5)。 


1669379473952031.jpg

圖 5:最終的預(yù)調(diào)節(jié)器和保護(hù)電源樹


結(jié)語


為 ADAS 系統(tǒng)選擇合適的預(yù)調(diào)節(jié)器并非易事。如果IC允許其輸出在多相拓?fù)渲胁⒙?lián)運(yùn)行,則設(shè)計(jì)會(huì)更加簡單。采用 MPQ4360-AEC1 和 MPQ5850-AEC1 實(shí)現(xiàn)的可擴(kuò)展解決方案可使每個(gè)電源軌都以較小面積滿足所需的輸出電流要求,同時(shí)還可降低 BOM 成本。


來源:MPS

作者:Francesc Estragués



免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。


推薦閱讀:


郵票式SoM模塊,加快工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用

如何優(yōu)化以太網(wǎng)供電 (PoE) PD 設(shè)計(jì)

雙極性步進(jìn)電機(jī)(上):控制模式

淺談濾波器

如何為設(shè)計(jì)匹配最合適的氣壓傳感器?這份“3483”選型法則請(qǐng)收好

特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉