【導讀】隨著(zhù)高級駕駛輔助系統 (ADAS) 和信息娛樂(lè )系統的片上系統 (SoC) 計算能力不斷提高，這對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，電流范圍也從數百安(A) 到幾毫安。為這些應用設計最佳電源架構絕非易事。本文將討論如何為汽車(chē) SoC 設計最佳電源架構，尤其是預調節器的設計。
汽車(chē)電池面臨的挑戰
汽車(chē)環(huán)境中的 12V 電池總線(xiàn)可能面臨各種壓力源，例如汽車(chē)行駛期間產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)壓 (OV) 和欠壓 (UV) 情況。因此，能夠工作在PC 12V 總線(xiàn)上的大多數DC/DC 集成電路 (IC) 并不適合汽車(chē)應用。汽車(chē)應用需要一個(gè)預調節器來(lái)為低電壓 DC/DC IC 做準備。預調節器應生成干凈的總線(xiàn)（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 (SoC)的電源要求
在開(kāi)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，以及系統需要支持的預期瞬態(tài)電流。電源架構師的工作是將這些信息轉換為可理解的系統級圖表，進(jìn)而開(kāi)始硬件設計。表 1 顯示了 一個(gè)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)響應和 IR 壓降。
圖 1 顯示了根據 SoC 電源要求得到的電源樹(shù)。
圖1: 電源樹(shù)
注意，圖中有兩個(gè)預調節器用于將每個(gè)變換器的輸出功率限制在 50W 左右。采用兩個(gè)預調節器可以讓設計人員有更廣的 IC 選擇范圍。
選擇預調節器拓撲
設計預調節器的第一個(gè)步驟是確定其拓撲。根據所需的工作條件，預調節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。
如果要求系統可以在熱啟動(dòng)條件下運行，但也可以在更嚴苛的冷啟動(dòng)條件下短暫關(guān)斷，則建議選擇降壓變換器拓撲以?xún)?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(guò) 5V，則可以添加一個(gè)后升壓變換器來(lái)確保能為電路提供所需電壓；而如果要求電路也同時(shí)支持嚴苛的冷啟動(dòng)條件，那么選擇升降壓變換器可以確保系統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(jiǎn)單的降壓變換器更昂貴，效率也更低。本設計示例選用了降壓變換器。
設置總線(xiàn)電壓
拓撲確定之后，設計人員就需要考慮總線(xiàn)電壓了?？偩€(xiàn)電壓通常為 3.3V 或 5V，它為所有下游變換器供電。大多數低電流 DC/DC IC 都可以在最高 5.5V 的電壓下工作，因此兩種總線(xiàn)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(xiàn)上運行。
選擇低總線(xiàn)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量；但當電壓轉換至 5V 時(shí)，它又需要較高的輸出電流。
預調節器的額定功率是應用效率系數時(shí)其下游變換器輸出功率的總和。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們假設所有變換器的效率都為 89%。預調節器 1 (PPRE-REG1) 的功率可以通過(guò)公式 (1) 來(lái)計算：
預調節器 2 (PPRE-REG2) 的功率可通過(guò)公式 (2) 估算：
然后計算每個(gè)預調節器的輸出電流。使用公式 (3) 計算預調節器 1 的輸出電流 (IPRE-REG1_5V) :
使用公式 (4) 估算預調節器 2在3.3V 總線(xiàn)電壓下的輸出電流 (IPRE-REG2_3.3V) :
使用公式 (5) 估算預調節器 2在3.3V 總線(xiàn)電壓下的輸出電流 (IPRE-REG2_5V) :
由于系統額定功率較高，5V 總線(xiàn)電壓允許低于 3.3V 總線(xiàn)電壓的輸出電流。因此，建議選擇 5V 總線(xiàn)電壓，從而降低所需 DC/DC 變換器的復雜性。
選擇IC
確定拓撲與輸出負載之后，設計人員就可以選擇預調節器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(dòng)條件下以低至 6V 的電壓工作。此外，輸出負載能力也應≥11.5A，或者并聯(lián)兩個(gè)器件以達到該電流。由于功率水平相當，兩個(gè)預調節器可以采用相同的 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 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(chē)應用。圖 2 顯示了兩個(gè)并聯(lián)運行的 MPQ4360-AEC1。
圖 2：雙相 MPQ4360-AEC1 原理圖
圖 3 所示為雙相運行的MPQ4360-AEC1 PCB 布局示例。該方案面積約為750mm2.
圖 3：雙相運行MPQ4360-AEC1 器件的 PCB 布局
系統保護
電池總線(xiàn)有可能面臨危險的反向電源電壓。如果系統不具備相應的保護功能，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(xiàn)上添加一個(gè)二極管。但二極管上有正向電壓 (VF)；當電流正常流過(guò)二極管時(shí)， VF 會(huì )產(chǎn)生功耗。
SoC系統的額定功率通常大于100W； 對于 一個(gè)12V 電池來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)輸入電流可能超過(guò) 8A。而8A 對于一個(gè)簡(jiǎn)單的二極管來(lái)說(shuō)顯然過(guò)高；即使采用 VF 為 0.3V的肖特基二極管，功耗也會(huì )超過(guò) 2.4W。常用的替代方案是采用 P 溝道 MOSFET 來(lái)阻斷反向電流，但這些 MOSFET 可能無(wú)法在足夠長(cháng)的時(shí)間內保護 IC 免受高頻交流電流的影響。
MPQ5850-AEC1 是一款可以保護系統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)具有強大柵極驅動(dòng)能力的 N 溝道 MOSFET，可以快速阻斷任何反向電流流動(dòng)（見(jiàn)圖 4），從而以最低功耗提供反向電流保護。
圖 4：MPQ5850-AEC1 理想二極管控制器
確定預調節器和保護器件之后，更新電源樹(shù)以反映所選組件（參見(jiàn)圖 5）。
圖 5：最終的預調節器和保護電源樹(shù)
結語(yǔ)
為 ADAS 系統選擇合適的預調節器并非易事。如果IC允許其輸出在多相拓撲中并聯(lián)運行，則設計會(huì )更加簡(jiǎn)單。采用 MPQ4360-AEC1 和 MPQ5850-AEC1 實(shí)現的可擴展解決方案可使每個(gè)電源軌都以較小面積滿(mǎn)足所需的輸出電流要求，同時(shí)還可降低 BOM 成本。
來(lái)源：MPS
作者：Francesc Estragués
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