電源管理類芯片分類汽車電機控制器的電源方案

發布日期：2024-4-8 16:09:00　瀏覽次數：

電源類芯片介紹

電源芯片是指對電源進行變換或者控制，為負載正常工作提供合適的電壓或者電流的集成電路芯片，是模擬集成電路中非常重要的芯片種類，一般包括電源轉換類芯片、參考基準類芯片，功率開關類芯片、電池管理類芯片等品類，以及一些特定應用場景的電源類產品。通常把電源轉換類芯片根據芯片架構分為DC-DC與LDO（low dropout regulator）兩種芯片。電源管理類芯片大致還可分為以下六種：

1.AC/DC調制IC，內含低電壓控制電路及高壓開關晶體管；

2.功率因數控制PFC預調制 IC，提供具有功率因數校正功能的電源輸入電路；

3.脈沖調制或脈幅調制PWM/ PFM控制IC，為脈沖頻率調制和/或脈沖寬度調制控制器，用于驅動外部開關；

4.電池充電和管理IC。包括電池充電、保護及電量顯示IC，以及可進行電池數據通訊“智能”電池 IC；

5..熱插板控制IC（免除從工作系統中插入或拔除另一接口的影響）；

6.MOSFET或IGBT的開關功能ic。

對于處理器類復雜芯片或者有多顆負載芯片的復雜系統，往往需要多路電源軌，各路電源之間要符合嚴格的時序要求，有些系統還需求電壓監測，看門狗、通信接口等功能，將這些功能集成到以電源為主體的芯片就衍生出PMU，SBC等產品類別。

電源芯片在汽車電子系統中應用廣泛，汽車電子部件中會根據應用需求用到不同種類的電源芯片。隨著汽車向電動化、網聯化和智能化發展，單車電源芯片應用越來越多，新能源汽車電源芯片用量將超過百顆。

典型電源芯片應用案例，電源芯片在汽車電機控制器的應用，主要用于產生各類二級電源，如為主控芯片、相關采樣電路、邏輯電路、功率器件驅動電路提供工作電源或參考電平。

圖1是傳統的汽車電機控制器的電源方案，該方案可以滿足系統的供電需求，但無法滿足產品具備一定的功能安全要求。

圖1：無功能安全需求的電源架構

圖2是在圖1方案基礎上，改用具有監測和診斷功能的SBC芯片，優化了弱電電源的監控及診斷功能，因此該架構具備了一定的功能安全等級（如ASIL B）。

圖2：有一定功能安全要求的電源架構

圖3是在前兩者的基礎上，低壓電源的監控及診斷更為完善，同時增加了高壓/低壓的DC-DC備用電源，可以滿足最高安全等級（ASIL D）的需求，虛線框內備注了利用該電源芯片搭建的電源拓撲。

圖3：符合功能安全ASIL D的電源架構

電源轉換類芯片

閃存作為一種存儲介質，廣泛應用于固態硬盤，UFS，eMMC，SD卡，U盤等存儲產品中；閃存是一種非易失性存儲器，即斷電數據也不會丟失。車載系統電源通常來自于電池，乘用車與商用車一般分別采用12V與24V電池電壓。由于車載系統特殊的工況，該電壓存在一定的波動范圍。對于車載系統中具體的用電芯片，往往不能直接使用電池電壓，需要電源轉換類芯片將電池電壓轉換到芯片所需的電壓值。以下對DC-DC開關電源與LDO線性電源兩類進行分析。

（1）DC-DC開關穩壓器

DC-DC開關穩壓器是指直流電壓到直流電壓穩壓器，常指開關電源。DC-DC芯片的功率管工作于高頻開關狀態，利用電感、電容進行儲能與濾波來達到電壓轉換的功能。根據功率管是外置還是內部集成，可以把DC-DC芯片進一步分為直流轉換控制器與直流開關轉換器，通常針對大電流輸出場景采用直流轉換控制器架構，電流輸出較小的應用場景采用集成功率管的直流開關轉換器。根據輸出電壓與輸入電壓之間的關系，又可以分為Buck，Boost，Buck/Boost幾種常用拓撲架構，除此之外還有Sepic，Cuk，Zeta等拓撲架構，由于后者在車載系統中應用相對較少，本文不做展開。下表為DC-DC開關穩壓器分類，主要功能，關鍵參數和應用場景。

DC-DC開關穩壓器情況

（2）LDO Regulator線性穩壓器

LDO Regulator是指低壓差（Low Drop-Out）線性穩壓器，同樣廣泛應用于車載系統的電壓轉換。與DC-DC開關穩壓器不同，線性穩壓器的功率管并非工作于高頻開關狀態，而是工作于輸出特性曲線的某個特定點。相比于DC-DC芯片，LDO有更低的噪聲，外部被動器件少，電路簡單，較少帶來EMC干擾等優點。但是LDO的電源轉換效率低，尤其是輸入輸出壓差較大的時候，發熱明顯高于DC-DC，因此不適合大電流輸出場景，通常輸出電流在數百mA到數A以內。

對于LDO，根據輸出電壓的調節方式，又可分為通用型LDO以及跟隨型LDO。通用型LDO的應用最為廣泛，幾乎每個車載系統都會有應用。跟隨型LDO有特定的應用場景，需要該LDO的輸出電壓跟隨另一路LDO的輸出電壓或基準電壓的變化而變化。

下表為LDO Regulator線性穩壓器分類，主要功能，關鍵參數和應用場景。