车载信息娱乐系统中的电源设计(上)

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概述

汽车车载信息娱乐系统,又称车机,是基于车身总线系统和互联网服务而形成的车载综合信息处理系统。近年来,随着人们对驾驶、信息、娱乐、安全等各方面需求的提升,汽车的集成化、模块化程度越来越高。这为车机系统的研发带来新的挑战,其中电源设计首当其冲。

本文为汽车车机系统电源设计系列文章之上篇,主要介绍一级电源和二级电源的特性,下篇将专门介绍环视摄像头的电源解决方案以及通用的汽车USB连接端口。

车机的典型电源架构如图1所示。一般而言,系统MCU和CAN模块通过一级LDO供电,以实现系统监测和唤醒。两个DC/DC变换器用于给主处理器核心板和其他外设模块供电,诸如串行器、解串器和tuner IC等。摄像头模组由独立的供电单元供电。另外,还有专门的USB充电器IC为车机前面板的USB端口提供电力。

图1: 车机系统的典型电源架构

下面,我们来讨论决定选型的一级电源和二级电源关键特性。

一级供电电源的特性

系统一级供电电源直接连接车载蓄电池,其重要性不言而喻。一方面,它需要承受来自车载蓄电池的各种极端瞬态工况,比如ISO7637-汽车电源线瞬态干扰抗扰性测试;另一方面,还需要满足相应的EMI测试标准,避免设备本身对蓄电池上的其他设备产生干扰。

MPS提供的频率可调、同步降压开关稳压器MPQ4436A可以满足上述要求,其主要性能如下所列:

  • 3.3V至45V的宽工作电压范围
  • 6A连续输出电流(IOUT)
  • 18uA睡眠模式静态电流(IQ)
  • 内置48 mΩ上管(HS-FET)/20mΩ 下管(LS-FET)MOSFET
  • 支持频谱扩展功能(FSS)以实现低EMI
  • 符合AECQ-100等级1认证

更强的电源线抗扰能力

MPQ4436A的输入电压范围(VIN)支持最高50V的耐受电压。对于ISO7637中规定的Pulse 5a/b(Load Dump)测试,该器件对滤波后的残压留有较大的安全裕量。

MPQ4436A的输入电压可低至3.3V,宽工作电压范围可轻松应对ISO7637中规定的Pulse 4(Cold Crank)测试。

图2所示为ISO7637 pulse 5a/b(load dump)测试脉冲。

图3所示为Pulse 4(cold crank)测试脉冲

图3: Pulse 4(cold crank)测试脉冲

卓越的EMI性能

MPQ4436A在芯片设计时充分考虑了EMI的优化,具体措施如下:

  1. 采用开关频率(fSW)展频技术。MPQ4436A采用频率扩展功能(FSS)来改善大电流下的EMI,它通过在开关频率点附近加入±10%的频率抖动,大大降低了峰值EMI噪声。
  2. 采用对称引脚封装设计。MPQ4436A 采用对称的引脚封装设计,同时合理布局高频环路、VIN与GND,并对称放置高频电容以形成磁场抵消效应。VIN、SW和OUT引脚的对称布局如图4所示。

图4: 对称引脚封装布局

图5显示了MPQ4436A的封装设计。

图5: MPQ4436A封装设计

MPQ4436A可以直接通过 CISPR25 Class 5 标准测试。图 6 显示了其平均传导发射。

图6: MPQ4436A 的平均传导发射

图 7 显示了 MPQ4436A的平均辐射发射。

图7: MPQ4436A 的平均辐射发射

紧凑的封装和良好的散热性能

MPQ4436A采用QFN-20 (4mmx4mm)封装,省去了2个MOSFET和一个采样电阻。

凭借更小的解决方案尺寸,MPQ4436A得以具备优秀的散热特性。如图8所示,在12V至5V的压降条件下,温升仅为36°。

图8: MPQ4436A在6A条件下的温升

图 9 显示了实现高效散热的MPQ4436A 紧凑型封装。

图9: MPQ4436A的紧凑型封装

支持错相并联

车机应用中,很多时候需要大电流进行平台设计,MPQ4436A提供并联运行以支持这种应用。例如,两片MPQ4436A可以并联运行,并错相180°输出。在增加输出功率的同时,由于其输入错相后相互叠加,降低了输入电流纹波,从而进一步改善了EMI(如图10所示)。

图10: 两片MPQ4436A的并联运行

二级供电电源的特性

二级电源一般用于为系统中的高速通信块(如解串器/串行器)、调制IC、系统存储以及其他外设供电,这些外设通常具有特殊的上下电时序要求,从而带来一定的设计挑战。

MPS公司的MPQ2166A是一款具有脉宽调制 (PWM) 和内部补偿功能的双通道同步降压稳压器,它能够满足上述的需求。

紧凑的封装和对称布局

MPQ2166A是一款紧凑型二合一降压变换器,采用小尺寸QFN-18 (2.5mmx3.5mm)封装。该器件最高支持3MHz的开关频率(fSW),这进一步减少了外围电感电容的数量。

对称的引脚分布(见图11)有助于减低EMI,而错相180°运行的双通道更进一步改善了EMI。

图11: MPQ2166A的对称引脚分布

更利于多电源轨设计

MPQ2166A为每个通道都提供独立的EN/SS/PG引脚,这便于调整每个通道的上电时序,同时分别监控每路电源的状态(如图12)。

图12: 独立EN/SS/PG引脚

MPQ2166A支持两路电流的灵活分配,可配置为2A/2A或3A/1A。

结论

电源设计是车机系统开发的重要考量因素。本文介绍了车机电源需求,以及MPQ4436A实现一级电源和MPQ2166A实现二级电源所具备的优势。本系列文章的下篇将探讨摄像头电源和USB 充电方面的挑战。

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