电源管理类芯片分类 汽车电机控制器的电源方案

  电源芯片是指对电源进行变换或者控制，为负载正常工作提供合适的电压或者电流的集成电路芯片，是模拟集成电路中很重要的芯片种类，一般来说包括电源转换类芯片、参考基准类芯片，功率开关类芯片、电池管理类芯片等品类，以及一些特定应用场景的电源类产品。通常把电源转换类芯片根据芯片架构分为DC-DC与LDO（low dropout regulator）两种芯片。电源管理类芯片大致还可分为以下六种：

  功率因数控制PFC预调制 IC，提供具有功率因数校正功能的电源输入电路；

  脉冲调制或脉幅调制PWM/ PFM控制IC，为脉冲频率调制和/或脉冲宽度调制控制器，用于驱动外部开关；

  电池充电和管理IC。包括电池充电、保护及电量显示IC，以及可进行电池数据通讯“智能”电池 IC；

  热插板控制IC（免除从工作系统中插入或拔除另一接口的影响）；MOSFET或IGBT的开关功能ic。

  对于处理器类复杂芯片或者有多颗负载芯片的复杂系统，往往需要多路电源轨，各路电源之间要符合严格的时序要求，有些系统还需求电压监测，看门狗、通信接口等功能，将这些功能集成到以电源为主体的芯片就衍生出PMU，SBC等产品类别。

  电源芯片在汽车电子系统中应用广泛，汽车电子部件中会根据应用需求用到不一样的种类的电源芯片。随着汽车向电动化、网联化和智能化发展，单车电源芯片应用慢慢的变多，新能源汽车电源芯片用量将超过百颗。

  典型电源芯片应用案例，电源芯片在汽车电机控制器的应用，大多数都用在产生各类二级电源，如为主控芯片、相关采样电路、逻辑电路、功率器件驱动电路提供工作电源或参考电平。

  图1是传统的汽车电机控制器的电源方案，该方案能够完全满足系统的供电需求，但不足以满足产品具备一定的功能安全要求。

  图2是在图1方案基础上，改用具有监测和诊断功能的SBC芯片，优化了弱电电源的监控及诊断功能，因此该架构具备了一定的功能安全等级（如ASIL B）。

  图3是在前两者的基础上，低压电源的监控及诊断更为完善，同时增加了高压/低压的DC-DC备用电源，能够完全满足最高安全等级（ASIL D）的需求，虚线框内备注了利用该电源芯片搭建的电源拓扑。

  （注，此处所展示的电源拓扑仅为一些范围内调研的通用解决方案，不代表车在电机控制器内电源的所有应用案例，下同）。

  闪存作为一种存储介质，大范围的应用于固态硬盘，UFS，eMMC，SD卡，U盘等存储产品中；闪存是一种非易失性存储器，即断电数据也不会丢失。 车载系统电源通常来自于电池，乘用车与商用车一般分别采取了12V与24V电池电压。由于车载系统特殊的工况，该电压存在一定的波动范围。对于车载系统中具体的用电芯片，往往不能直接用电池电压，需要电源转换类芯片将电池电压转换到芯片所需的电压值。以下对DC-DC开关电源与LDO线性电源两类做多元化的分析。 （1）DC-DC开关稳压器

  DC-DC开关稳压器是指直流电压到直流电压稳压器，常指开关电源。DC-DC芯片的功率管工作于高频开关状态，利用电感、电容进行储能与滤波来达到电压转换的功能。 根据功率管是外置还是内部集成，可以把DC-DC芯片进一步分为直流转换控制器与直流开关转换器，通常针对大电流输出场景采用直流转换控制器架构，电流输出较小的应用场景采用集成功率管的直流开关转换器。依据输出电压与输入电压之间的关系，又可大致分为Buck，Boost，Buck/Boost几种常用拓扑架构，除此之外还有Sepic，Cuk，Zeta等拓扑架构，由于后者在车载系统中应用相对较少，本文不做展开。 下表为DC-DC开关稳压器分类，基本功能，关键参数和应用场景。

  LDO Regulator是指低压差（Low Drop-Out）线性稳压器，同样大范围的应用于车载系统的电压转换。与DC-DC开关稳压器不同，线性稳压器的功率管并非工作于高频开关状态，而是工作于输出特性曲线的某个特定点。相比于DC-DC芯片，LDO有更低的噪声，外部被动器件少，电路简单，较少带来EMC干扰等优点。但是LDO的电源转换效率低，尤其是输入输出压差较大的时候，发热明显高于DC-DC，因此不适合大电流输出场景，通常输出电流在数百mA到数A以内。

  对于LDO，依据输出电压的调节方式，又可分为通用型LDO以及跟随型LDO。通用型LDO的应用最为广泛，几乎每个车载系统都会有应用。跟随型LDO有特定的应用场景，需要该LDO的输出电压跟随另一路LDO的输出电压或基准电压的变化而变化。

  下表为LDO Regulator线性稳压器分类，基本功能，关键参数和应用场景。

  电源类芯片在汽车内应用比较广泛，国内企业技术发展相对成熟，以全志科技、华大半导体、圣邦微、瓴芯等为代表的国内企业在LDO、芯片、DCDC芯片、PMU芯片等应用领域均有较为成熟的产品，目前正在慢慢地开展国产导入。

  爱特梅尔公司 (Atmel ® Corporation) 现已推出面向汽车电机控制应用的 AVR® 8 位微控制器系列新产品。其中首批面市的产品是 ATmega 16M 1 和 ATmega 32M 1 ，用于控制带传感器 ， 及无传感器的无刷直流 (brushless DC, BLDC) 电机。 随着汽车中的电机数量慢慢的变多，汽车制造商需要尺寸更小、重量更轻，并且扭矩大于有刷电机的电机产品。他们正逐步转用需要更复杂电子器件来精确控制速度和扭矩的无刷直流电机，这为汽车制造带来了一些新的挑战，这中间还包括高温问题 ── 某些引擎盖下的应用温度高达 150 ℃ 。

  1. 电源类芯片介绍 电源芯片是指对电源进行变换或者控制，为负载正常工作提供合适的电压或者电流的集成电路芯片，是模拟集成电路中很重要的芯片种类，一般来说包括电源转换类芯片、参考基准类芯片，功率开关类芯片、电池管理类芯片等品类，以及一些特定应用场景的电源类产品。通常把电源转换类芯片根据芯片架构分为DC-DC与LDO（low dropout regulator）两种芯片。电源管理类芯片大致还可分为以下六种： AC/DC调制IC，内含低电压控制电路及高压开关晶体管； 功率因数控制PFC预调制 IC，提供具有功率因数校正功能的电源输入电路； 脉冲调制或脉幅调制PWM/ PFM控制IC，为脉冲频率调制和/或脉冲宽度调制控制器，用于驱动外部开关

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