概述

隨著高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 和信息娛樂系統(tǒng)的片上系統(tǒng) (SoC) 計算能力不斷提高，這對功率提出了更高的需求。一個 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)計最佳電源架構(gòu)，尤其是預(yù)調(diào)節(jié)器的設(shè)計。

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)用需要一個預(yù)調(diào)節(jié)器來為低電壓 DC/DC IC 做準備。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給出每個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)級圖表，進而開始硬件設(shè)計。表 1 顯示了 一個SoC 電源要求示例。

表1: SoC電源要求

注意:

1) 電壓容差包括變換器的直流電壓精度、負載瞬態(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。

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

選擇預(yù)調(diào)節(jié)器拓撲

設(shè)計預(yù)調(diào)節(jié)器的第一個步驟是確定其拓撲。根據(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)可以在熱啟動條件下運行，但也可以在更嚴苛的冷啟動條件下短暫關(guān)斷，則建議選擇降壓變換器拓撲以優(yōu)化成本與效率；如果要求任一電路的電壓在熱啟動條件下都超過 5V，則可以添加一個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支持嚴苛的冷啟動條件，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)計示例選用了降壓變換器。

設(shè)置總線電壓

拓撲確定之后，設(shè)計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 的總線上運行。

選擇低總線電壓的主要目的是降低成本，因為直接降壓至 3.3V 有些情況下可以減少變換器的使用數(shù)量；但當電壓轉(zhuǎn)換至 5V 時，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) 來計算：

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

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

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) :

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) :

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

確定拓撲與輸出負載之后，設(shè)計人員就可以選擇預(yù)調(diào)節(jié)器IC。該 IC 必須支持負載突降條件下的 42V 輸入電壓，并且能夠在熱啟動條件下以低至 6V 的電壓工作。此外，輸出負載能力也應(yīng)≥11.5A，或者并聯(lián)兩個器件以達到該電流。由于功率水平相當，兩個預(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現(xiàn) 12A 的輸出電流。交錯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 顯示了兩個并聯(lián)運行的 MPQ4360-AEC1。

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