使用適合的 DC/DC 穩壓器滿足進階 ADAS 需求

先進駕駛輔助系統 (ADAS) 和車用資訊娛樂的普及化，使車輛成為在路上跑的複雜電子系統，且需具備多層、無雜訊的 DC 電軌。然而，典型的車用電池在工作環境中的穩定度遠遠不足，因此設計人員必須密切關注電力系統設計。

ADAS 系統的範圍涵蓋主動式巡航控制、防碰撞、GPS、輔助攝影機、車道偏離警示、穩定性控制和連線能力，車用資訊娛樂則涵蓋顯示器和多媒體播放器。以汽車的 12 V 電池 (部分情況下甚至是 24 或 48 V) 調節這些功能用的 DC 電源，實為一大挑戰，其原因包括：電池輸出雜訊、電壓尖波、負載突降暫態、極端溫度和循環、經由位於擁擠高溫位置的電子元件、必須承受振動和衝擊。

同時，為了因應各項 ADAS 功能所需，調節電池輸出以提供多重 DC 電軌的 DC/DC 轉換器 IC，必須在嚴苛的電氣和環境條件下操作。此外也必須以高效率提供嚴密的調節，並達到低靜態電流及產生最低的 EMI。

本文將說明操作環境和條件，並介紹為了協助減少問題而制訂的汽車標準。接著會說明有助於滿足汽車配電需求的電源穩壓器和 DC/DC 轉換器，並介紹其使用方法。

引擎蓋下的艱難挑戰

對電子元件 (以及機械元件) 來說，汽車是挑戰性高且嚴酷的環境，可歸因於四個層面：電氣、熱、衝擊／振動及可用空間。簡要介紹如下：

電氣：來自電池的未調整電軌並非像絕大多數電池那樣簡單穩定的 DC 電流來源；而是必須承受冷車啟動壓降 (圖 1)、「負載突降」導致的高電壓突波 (連接到交流發電機的負載突然中斷時) (圖 2 及表 1)，以及雜訊和 EMI/RFI。

圖 1：冷車啟動條件下的典型電池電壓分布，與較良性應用的電池輸出大不相同。(圖片來源：Texas Instruments)

圖 2：典型負載突降脈衝的特性為快速攀升、緩慢下降，且時序會變動。(圖片來源：Texas Instruments)

參數 12 V 系統 24 V 系統 U8 65 V 至 87 V 123 V 至 174 V Rj 0.5 Ω 至 4 Ω 1 Ω 至 8 Ω td 40 ms 至 400 ms 100 ms 至 350 ms tr

表 1：12 V 和 24 V 電池系統中，未抑制負載突降脈衝 (在此依 ISO7637-2:2004[1]-5 定義) 的典型值。(圖片來源：Texas Instruments)

因此，本機 DC/DC 穩壓器必須因應這些實際情況，在寬廣的輸入電壓 (V_IN) 範圍內運作，並且承受電池的反轉極性連接。此外，這些穩壓器的靜態電流必須極低，以盡可能在汽車應當「關閉」時降低電池耗電。

原因在於這些 ADAS (及其他) 功能有許多並非實際與電池切斷連接，而是使用「軟」開／關，因此在「關閉」時實際上是處於靜止狀態。綜合以上所述，若是汽車數週未用，這些元件消耗所謂的「吸血鬼功率」，會導致電池耗盡。

熱：引擎蓋下的溫度範圍取決於操作條件和探針放置的位置，可從零下 (冬季停駐) 到高達 150°C 至 200°C (圖 3)。車廂等其他汽車區域，雖然不致於那麼熱，若是停放在日光下仍然會達到相當高的溫度。若溫度超出 25°C (77°F) 至 40°F (104°F) 的範圍，在陽光直曬的位置停車，車內溫度可攀升到 50°C (122°F) 至 75°C (167°F) 之間。

圖 3：雪佛蘭 Silverado 以 40 mph 的速度爬山時，從多個位置所測得的車輛溫度；有多點超過 150°C。(圖片來源：Pelican Parts)

衝擊／振動：機械衝擊和振動始終存在；基本機械分析後顯示，較小、較輕的元件較不易受這類干擾影響，也較容易視需求加以緩衝和「減震裝設」。此外，這類元件可促成較小的電路板，提供相關的優勢。

尺寸：小尺寸還有另一個與衝擊／振動無關的主要優點。由於車輛有外殼這樣的固定實體「包封」，很難找到地方放置 ADAS 功能電路，許多情況下相關感測器也包括在內。雖然此類電路中有些可放置在幾乎任何空位，但許多 ADAS 感測器和前端訊號調整電路則需放在特定位置，即便支援的電子元件可放在其他地方。

汽車標準帶來的挑戰

汽車主要有三種動力來源：電動 (EV)、油電 (HEV)，當然還有內燃機引擎。此外，還有各種不同的尺寸、樣式、功能和價位點。汽車產業針對電子元件、軟體和子系統的風險和效能等級制訂了標準。讓基本的積體電路 (IC) 符合不同等級的資格，設計人員就可確知，其所取得的基礎元素能用來「建置」具有既定性能的電路板、組件、子系統和完整功能。

用來界定性能的主導標準是汽車安全完整性等級 (Automotive Safety Integrity Level, ASIL) 機制，這是依照 ISO 26262「道路車輛功能安全」標準制訂的多等級風險分類方式。最高等級為 ASIL-D，代表最高程度的汽車危險，因此需要最高級的保障措施，以符合安全要求 (圖 4)。在最高等級 ASIL-D 之下，依遞減順序分別為等級 -C、-B 和 -A，代表具有中度危險且需要保障措施，最後還有 ASIL QM 評級，代表無汽車危險的應用，因此無需管理任何安全要求 (例如無線電)。

圖 4：汽車功能依據車輛安全、操作、控制和其他因素的關鍵性加以分類，可評等為 ASIL-D 至 ASIL-A，其中以 ASIL-D 為最嚴格。(圖片來源：Mentor Graphics)

針對 ADAS 功能所設計的元件 (包括 DC/DC 穩壓器)，廠商必須測試並認證其裝置符合及超出特定等級的 ASIL 性能要求。其中包括但不限於溫度、振動和故障模式。

另一個相關標準是 AEC-Q100，是由汽車電子協會 (AEC) 制訂的一套 IC 合格測試程序。這針對新推出與升級產品，建立零件合格與品質系統的標準。AEC-Q100 也建立一套溫度分級，針對元件制訂等級類別，其中以第 0 級的溫度範圍最廣 (表 2)。

表 2：AEC-Q100 溫度分級制訂了基本工作範圍，並以相對應的尾碼表示。(圖片來源：Cypress Semiconductor Corp.)

滿足 ADAS 需求的 DC/DC 穩壓器

ADAS 功能的需求挑戰性高，要求 IC (包括 DC/DC 穩壓器) 滿足此項應用在電氣、熱和尺寸考量上的需求。這些元件努力達成 (若非全部) 汽車 ASIL 在電氣、熱、衝擊／振動和可用空間層面上的目標。

舉例而言，Maxim Integrated 的 MAX16930 是一款 36 V DC/DC 穩壓器，僅消耗 20 µA 靜態電流 (圖 5)。此汽車級三重輸出切換元件整合了兩個同步降壓控制器和一個非同步升壓「預升壓」控制器，可提供多達三個獨立控制的電軌：一個具有可調輸出電壓的預升壓控制器、一個具有固定 5 V 輸出或 1 至 10 V 可調整輸出的降壓控制器，以及一個具有固定 3.3 V 輸出或 1 至 10 V 可調整輸出的降壓控制器。

圖 5：MAX16930 多重輸出降壓穩壓器具有預升壓功能，可在電池壓降至個位數低值 (黃色處) 的冷車啟動期間操作。(圖片來源：Maxim Integrated)

MAX16930 可在 3.5 V 至 36 V 的寬廣電軌範圍內操作，預升壓可將操作範圍向下延伸至 2 V (自舉模式)，能滿足冷車啟動性能的需求 (圖 5)。降壓控制器和預升壓功能各能提供高達 10 A 輸出電流，並可獨立控制。使用者可調整的切換頻率從 200 kHz 至最高 2.2 MHz，並可選擇展頻操作，因此可保證無 AM 頻段的干擾。

MAX16930 包含時脈設定選擇，能讓設計人員將 IC 時脈所形成的干擾以及多重系統時脈相混導致的拍頻之相關問題減到最低。使用者必須從三種頻率功能模式之中選擇：

1. 基本固定頻率操作，頻率由使用者指定。
2. 省略模式，可在輕度負載時停用時脈，且僅在必要時調用，以維持輸出電壓調節。
3. 與外接時脈同步。IC 能在這些模式之間「迅速」切換，但這需要更多軟體以進行 IC 管理。

IC 另有提供一個選項，可調用展頻時脈盡可能降低單一頻率下源自時脈的 EMI 發生情況，作法是在標稱頻率值範圍內隨機顫動時脈；不想要的 EMI 能量會分散至更廣的頻域，但在任何單一頻率下的尖峰振幅較低。

使用者也必須在系統設計階段中決定內部線性穩壓器 (LDO) 的「值」，可藉由連接至外接電軌加以旁通。

一方面，LDO 輸出超級安靜，適合供電給需要最小電軌雜訊的小型局部負載；另一方面，效率不比 MAX16930 內的切換式穩壓器。

為了因應覆蓋區的要求，常見的作用是增加單一 IC 的不同輸出數量。Analog Devices 的 LT8603 屬於四重輸出裝置，在單一 6 x 6 mm 封裝內結合兩個高輸入電壓降壓切換式穩壓器、一個低輸入電壓降壓穩壓器和一個升壓控制器。

升壓控制器經過配置，可供應 V_IN 電源，因此即使在升壓輸入電壓降至低於穩壓輸出電壓 (例如在冷車啟動情況下)，此 IC 仍能發展出三個穩壓輸出 (圖 6)。

圖 6：LT8603 可進行配置依照規格操作，儘管在冷車啟動條件下仍能提供完整 DC 輸出。(圖片來源：Analog Devices)

此 IC 可利用最高達 42 V 的電軌操作，可由使用者在 250 kHz 至 2.2 MHz 的範圍內選擇頻率進行切換，藉此降低 EMI。輻射 EMI (經 CISPR 25 輻射干擾測試，具 Class 5 峰值限制) 低於容許限制 (短水平線段) (圖 7)。

圖 7：在使用 14 V 電源且切換頻率為 2 MHz 時，LT8603 的輻射 EMI (經 CISPR 25 輻射干擾測試，具 Class 5 峰值限制) 顯示其輻射值低於容許限制 (短水平線段)。(圖片來源：Analog Devices)

此 IC 的四個通道獨立供電，設計人員必須決定以何種方式將其連接，以符合系統和電路目標。例如，升壓輸出可配置成將輸入電壓供應至降壓轉換器，即使升壓輸入電壓降至低於穩壓的降壓輸出 (這在冷車啟動情況下可能發生)，仍能產生三個嚴密調節的輸出。然而，升壓模式控制器可改由升壓控制器輸出進行驅動，或配置成 SEPIC 轉換器，在此情況下 IC 能提供多達四個嚴密調節輸出。

這四個通道的切換頻率範圍是設計人員必須決定的另一個因素，而且必須在選擇振盪器頻率之前完成，頻率則可由單一電阻設定在 250 kHz 至 2.2 MHz 之間。較低頻率通常可達到更優異的效率以及更寬廣的輸入電壓工作範圍，這是因為切換損耗較低，也對時序限制較不敏感，例如最低開啟和關閉時間。

然而，切換頻率較高則可使用較小的元件，並可讓切換相關雜訊遠離敏感的頻段，例如 AM 無線電。缺點是會降低效率。

為高效能 ADAS 感測器供電

有些 ADAS 功能具有高效能感測器前端，因此其要求的雜訊會比絕大多數切換式降壓穩壓器所能提供的更低，且暫態反應要更快。Maxim 的 MAX15027 低壓降線性穩壓器 (通過 AEC-100 Grade-1 認證) 就是針對這些情況而設計。此產品可在最低 1.425 V 的輸入電壓下操作，並可提供高達 1 A 連續輸出電流，且最大壓降電壓僅有 225 mV。具有寬廣頻寬，可支援快速暫態反應，因此可將輸出電壓變動限制在 15 mV 內，負載變動幅度 500 mA，且輸出端僅使用 4.7 μF 陶瓷電容。

發揮 LDO 最佳效能的一些注意事項

即使 MAX15027 屬於 LDO，也是可使用的最簡單的電源穩壓器拓撲之一，仍有一些注意事項必須顧及。首先，1 μF 陶瓷輸入電容與 4.7 μF 陶瓷輸出電容都需具備高品質以及毫歐姆範圍內的低 ESR；若 ESR 達到歐姆程度或更高，LDO 的線路與負載暫態反應會受到影響，LDO 內部迴路穩定性可能會出問題，而且可能會發生自振盪。

第二，印刷電路板佈局必須納入散熱和高溫的考量，因為與切換式穩壓器相比，LDO 的功率耗散對封裝尺寸比率相對較高。有鑑於此，MAX15027 的 TDFN 封裝在底部具有裸露的導熱墊，以確保有低熱阻路徑進入 PC 板。此路徑負責將大部分的熱導出 IC，讓 PC 板成為有效的散熱器。裸露的導熱墊應接到較大的接地層，以達到最佳的散熱與電氣效能。

然而，此作法有必要考量隔離，但仍舊不足。使用熱塑模非常重要，可確保附近的 IC 及其他元件並未也假設能使用 PC 板的同一銅層來滿足其個別的散熱需求，以免累積的熱負載超出所選散熱策略的能力。

此策略通常會先透過導熱墊將熱導出 IC 並導入 PC 板層，然後絕大多數的情況是在遠處的散熱片或冷板進行對流散熱。這種熱源「擁擠」情況會導致基本的散熱計畫失效，而問題點就出在 IC 底部的導熱墊。

結論

ADAS 與車用資訊娛樂的運用，勢必得滿足其獨特且往往具有挑戰性的 DC 電源需求。也因此帶動了 IC 和其他元件的開發及供貨，儘管處於極端的溫度和 DC 輸入軌電壓範圍仍可運作，同時靜態電流損耗也非常低。這類 IC 必須採用小尺寸，以降低對振動和衝擊的靈敏度，也有助於支援小型的 ADAS 功能電路設計。

電源穩壓器廠商目前提供多種 ADAS 最佳化的切換式和 LDO DC/DC 裝置，能符合嚴格的業界標準，能夠緩解導入設計的挑戰並簡化 BOM 決策。