如何克服汽车前端设计挑战

我们可能有过启动汽车的经历，只是听到咔哒声而不是引擎转动。这是由电池没电引起的，尽管有很多原因导致这种情况发生，但在大多数情况下，这是人为错误（有没有人一夜之间把室内灯打开？）。启动汽车时也可能出现人为错误。

图 1 – 正确连接跨接启动电缆的电池。

汽车系统设计人员必须为在启动汽车发动机时出现错误而可能出现的两种情况做好准备：电池反接和双电池情况。反向电池是指电池的跨接电缆的红色端子连接到电池的地，黑色端子连接到电池的正极，与图 1 相反。在这种情况下，二极管将保护系统，但在同时，二极管在正常运行时会产生系统损耗。根据系统的额定功率，正向压降可以在 0.5V 至 1.0V 之间。这会产生热量并增加整个系统的效率。

卡车和公共汽车使用两个串联的电池，而汽车只有一个电池。周围唯一可以启动我们的汽车的车辆可能是卡车。这会导致双电池情况，此时施加到整个系统的电压现在是两倍。这给系统带来了很大的压力。

负载突降是工程师必须设计系统以承受和生存的另一个条件。这不会因电池反接等用户错误而发生，因为它与系统本身产生问题有关。

图 2 – 负载突降情况图。

当交流发电机或电池的接地由于腐蚀甚至安装不良而与系统断开时，就会发生负载突降（如图 2 所示）。这种断开会产生一个很大的电压尖峰，可能会影响整个系统。交流发电机在汽车电气系统运行中起着重要作用，因此如果没有它，我们的电池将耗尽。

所讨论的所有条件都对汽车前端设计提出了重大挑战，即如何保护控制单元、传感器和娱乐系统等电子设备免受破坏性浪涌、电压瞬变、静电放电 (ESD) 和电源线上存在的噪声的影响。瞬态电压抑制器 (TVS) 是一种用于汽车电子保护的低成本解决方案，具有这些汽车应用的几个重要参数，包括额定功率、关断电压、击穿电压和最大击穿电压。我们还必须确保使用更高 V IN的下游 DC/DC 转换器，以便系统不会出现尖峰问题，因为 TVS 无法抑制所有内容。

在前端电源中，当将电池电压转换为处理器所需的电压时，开关稳压器对于系统的整体功率密度和效率至关重要。开关稳压器的问题在于它在运行时会产生噪声。开关需要快速改变电气条件：这包括进入开关的电流；开关节点电压变化；和输出电压纹波，以及与外部元件选择有关的其他因素。在控制向多个方向循环的大量电力时，由于物理定律，其中一些因素无法改变。所有这些条件都有助于电磁兼容性，简称为 EMC。

汽车 EMC 的主要标准称为 CISPR 25，它根据终端设备要求的严格程度和 EMC 需要的程度包括几个等级。我们经常可以在收音机的 AM 频段听到 EMC 产生的噪音。这是非常不可取的，因此我们需要通过过滤来抑制这种噪声。汽车专用开关稳压器旨在通过结合架构（电流模式是汽车中最常见的架构）、组件布局（尽可能靠近开关稳压器并尽可能少）甚至器件引脚排列来最大限度地降低电磁噪声。它永远不能为零，但可以减少。

在 TI，我们开发了一个参考设计，使前端汽车电源设计人员能够满足所有这些汽车系统标准并解决本博客中讨论的问题。

图 3 – TI用于汽车后置摄像头和 ADAS 系统的 CISPR 25 5 类多输出参考设计。

图 3 所示的 TI Designs 参考设计是一种传导电磁干扰 (EMI) 优化的多输出设计，符合 CISPR 25 5 类汽车标准。这种 9W 设计非常适合支持冷车发动条件的宽范围 V IN汽车高级驾驶辅助系统 (ADAS) 应用。该参考设计采用LM53603-Q1 DC/DC 稳压器（用作降压）、LM26420 DC/DC 稳压器（用作双降压）和TPS60150开关电容器电压转换器（用作 5V 输出的电荷泵）。该设计接受 4.5V IN至 20V IN的输入电压并提供 1.0A 时 3.3V、1.0A 时 2.5V、1.0A 时 1.8V 和 100mA 时 5V 的输出。它体积小、价格便宜、效率高，并可针对 ADAS 和其他汽车相关应用进行定制。四层印刷电路板 (PCB) 尺寸为 65mm x 100mm。

用于汽车后置摄像头和 ADAS 系统参考设计的CISPR 25 5 类多输出参考设计确保符合汽车电源设计工程师面临的所有相关 EMC、瞬态电压甚至尺寸限制。该设计还可以防止前面讨论的故障条件，例如双电池和反向电池，它们通常与开关稳压器无关，而是整个系统设计的一部分。