大多数汽车电源架构都是按照最基本的原则设计的，但并不是每个设计人员都对这些原则有透彻的了解。本文将讲解汽车电源设计应遵循的六大基本原则，让设计人员的基本功更加扎实。
以下是设计汽车电源架构时要遵循的六个基本原则。
1、输入电压VIN范围：12V电池电压的瞬态范围决定了电源转换IC的输入电压范围
典型的汽车电池电压范围为 9V 至 16V。发动机熄火时，汽车电瓶标称电压为12V；发动机运转时，蓄电池电压在14.4V左右。但是，在不同的条件下，瞬态电压可能会达到±100V。 ISO7637-1行业标准定义了汽车电池的电压波动范围。图 1 和图 2 所示的波形是 ISO7637 标准给出的部分波形，显示了高压汽车电源转换器需要满足的关键条件。除了 ISO7637-1 之外，还有一些为燃气发动机定义的电池工作范围和环境。大多数新规范是由不同的 OEM 提出的，不一定遵循行业标准。但是，任何新标准都要求系统具有过压和欠压保护。
2、散热考虑：散热需要根据DC-DC转换器的最低效率来设计
在空气流通不良或无空气流通的应用中，如果环境温度较高（> 30°C）且外壳内有热源（> 1W），设备会迅速升温（> 85°C） 例如，大多数音频放大器需要安装在散热器上，并且需要提供良好的气流来散热。此外，PCB材料和一定的覆铜面积有助于提高导热效率，从而达到最佳的散热条件。在不使用散热器的情况下，封装上裸露焊盘的散热能力被限制在 2W 至 3W (85°C)。随着环境温度的升高，散热能力明显下降。
将电池电压转换为低电压（例如：3.3V）输出时，线性稳压器会损失75%的输入功率，效率极低。为了提供 1W 的输出功率，3W 的功率将作为热量散发出去。受环境温度和外壳/结热阻的限制，1W的最大输出功率将显着降低。对于大多数高压 DC-DC 转换器，LDO 在 150mA 至 200mA 范围内的输出电流下具有良好的性价比。
将电池电压转换为低电压（例如：3.3V），当功率达到3W时，需要选择高端的开关转换器，可以提供30W以上的输出功率。这也是汽车电源制造商通常选择开关电源解决方案而不是传统的基于 LDO 的架构的原因。
大功率设计 (> 20W) 具有更严格的热管理要求，需要同步整流架构。为了获得比单个封装更高的散热能力并避免封装“发热”，请考虑使用外部 MOSFET 驱动器。
3、静态电流 (IQ) 和关断电流 (ISD)
随着汽车中电子控制单元 (ECU) 数量的迅速增加，从汽车电池中汲取的总电流也在增加。一些 ECU 单元即使在发动机关闭且电池电量耗尽时也能继续工作。为了将静态工作电流 IQ 保持在可控范围内，大多数 OEM 开始限制每个 ECU 的 IQ。例如，欧盟提出的要求是：100μA/ECU。大多数欧盟汽车标准规定 ECU 的 IQ 通常低于 100µA。 CAN 收发器、实时时钟和微控制器等始终在线设备的电流消耗是 ECU IQ 的主要考虑因素，电源设计需要考虑最低 IQ 预算。
4、成本控制：OEM厂商在成本和规格之间的妥协是影响电源材料清单的重要因素
对于大批量生产的产品，成本是一个重要的设计考虑因素。 PCB 的类型、散热能力、允许的封装选择以及其他设计限制确实受到特定项目预算的限制。比如使用4层板FR4和单层板CM3，PCB的散热能力会有很大的不同。
项目预算还导致另一个限制因素，即用户能够接受成本更高的 ECU，而无需花费时间和金钱来改造传统电源设计。对于一些高成本的新开发平台，设计人员只需对未经优化的传统电源设计进行一些简单的修改即可。
5、位置/布局：电源设计中的 PCB 和元件放置会限制整体电源性能
结构设计、电路板布局、噪声敏感性、多层板上的互连问题以及其他布局约束都会限制高芯片集成电源的设计。使用负载点电源来产生所有必要的功率也会产生高成本，并且在单个芯片上封装许多组件并不理想。电源设计人员需要根据特定项目需求平衡整体系统性能、机械限制和成本。
6、电磁辐射
电磁辐射是由时变电场产生的。辐射强度取决于场的频率和幅度。一个工作电路产生的电磁干扰会直接影响另一个电路。例如，无线电频道的干扰会导致安全气囊发生故障。为了避免这些负面影响，OEM 已经为 ECU 单元建立了最大电磁辐射限制。
为了控制电磁辐射 (EMI)，DC-DC 转换器的类型、拓扑、外围元件的选择、电路板布局和屏蔽都非常重要。经过多年的积累，电源IC设计人员开发了各种技术来限制EMI。外部时钟同步、高于AM调制频段的工作频率、内置MOSFET、软开关技术、扩频技术等都是近年推出的EMI抑制方案。
应用和电源要求
大多数系统电源的基本架构选择应从汽车制造商定义的电源要求和电池电压瞬态波形开始。电流要求应反映在电路板的热设计中。表 1 总结了大多数设计的电路和电压要求。
通用电源拓扑
这里列出了四种常用的电源架构，总结了过去三年汽车领域的典型设计架构。当然，用户可以通过不同的方式来实现特定的设计要求，大多数解决方案可以概括为这四种结构之一。
选项 1
此架构为优化 DC-DC 转换器效率、布局、PCB 散热和噪声规格提供了灵活的设计。方案 1 的主要优点是：
提高核心设计的灵活性。即使不是成本最低/效率最高的解决方案，添加独立转换器也有助于重用原始设计。
有助于合理利用开关电源和线性稳压器。例如，从 3.3V 电压产生 1.8V300mA 比直接从汽车电池降压到 1.8V 更有效且成本更低。
从 PCB 散发热量，这为选择转换器的位置和散热提供了灵活性。
允许使用高性能、高性价比的低压模拟 IC，与高压 IC 相比，它提供了更广泛的选择范围。
方案一的缺点是：电路板面积较大，成本相对较高，对于多电源需求的设计来说过于复杂。
选项 2
此解决方案是高集成度和设计灵活性之间的折衷方案。与方案一相比，在成本、外形尺寸和复杂度上具有一定的优势。特别适合2路降压输出，需要独立控制方案。例如，不间断电源需要一个3.3V电源高压电源车，而需要时可以关闭5V电源以节省IQ电流。另一个应用是产生5V和8V电源，使用这种方案可以从5V升压中节省一个升压转换器。
带有外部 MOSFET 的双向输出控制器可以提供与解决方案相同的 PCB 布局灵活性，并有助于散热。对于具有内置 MOSFET 的转换器，设计人员应注意不要在 PCB 上的同一位置散发过多热量。
选项 3
这种架构将多通道高压转换问题转化为一个高压转换和一个高度集成的低压转换IC。与多路输出的高压转换IC相比，高集成度的低压转换IC成本较低，易于从市场上获得。 如果方案3中的低压PMIC有两个以上的输出，方案3会出现与方案4相同的缺陷。
方案3的主要缺点是多个电压集中在同一个芯片上高压电源车，在布板时需要仔细考虑PCB散热问题。
选项 4
新推出的高度集成的PMIC可以将所有必要的电源转换和管理功能集成在一个芯片上，突破了电源设计中的诸多限制。但是，高集成度也有一定的负面影响。
在高度集成的 PMIC 中，集成和驱动能力总是矛盾的。例如，当产品升级时，原设计中内置 MOSFET 的稳压器可能无法满足新设计中的负载驱动要求。
将低压转换器级联到高压转换器有助于降低成本，但这种方法受限于稳压器的开/关控制。例如，如果在关闭5V电源时必须打开3.3V电源，则3.3V输入不能连接到5V电源输出；否则无法关闭 5V 电源，导致静态电流 IQ 较高。