之前文章介紹了計算機和5G基站的電源架構(gòu)，下面開始寫架構(gòu)專題的最后一部分，介紹一下汽車電子中常見的一些電源架構(gòu)。為什么我選擇了這三個方向或者行業(yè)去寫呢？首先是因為我大學(xué)所學(xué)專業(yè)是通信，目前正趕上5G的風口，通信設(shè)備和基站理應(yīng)成為熱點，加上通信電源的設(shè)計也是一個細分工作領(lǐng)域，寫它，有搞頭！然后鄙人第一份工作誤打誤撞進入了計算機行業(yè)，開始服務(wù)器主板電源的研發(fā)，因此計算機電源也是必須要寫的，算是對所做工作的一個總結(jié)，寫它，有搞頭！最后寫汽車是因為離開計算機行業(yè)后進入了汽車電子行業(yè)，從事汽車電子硬件研發(fā)工作，因此這部分工作也需要有個總結(jié)，就加進來了，有搞頭！
目前，本人在半導(dǎo)體公司做FAE，也正好需要對各行各業(yè)的電源架構(gòu)有個認識，因此，一邊學(xué)習，一邊總結(jié)，就寫了這幾篇文章，其實寫的并不深入，后續(xù)有精力有機會還會把新感悟到的東西和一些更加技術(shù)化的干貨補充進來，感謝各位支持~
傳統(tǒng)的汽車電子設(shè)備包括：車身控制器（BCM）、車門控制器（DCM）、儀表娛樂系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)等，后來新能源汽車強勢崛起，整車控制器（VCM）、電池管理系統(tǒng)（BMS）等也逐步成熟，與此同時，高級輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）、V2X車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等概念也如火如荼的被開發(fā)著。
圖1. 汽車供電系統(tǒng)總體架構(gòu)圖
汽車供電系統(tǒng)主要由蓄電池、發(fā)電機、調(diào)節(jié)器以及配電、保護裝置組成。發(fā)電機和蓄電池并聯(lián)工作，發(fā)動機正常工作后驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，再通過調(diào)節(jié)器將發(fā)電機電壓穩(wěn)定在14V（12V蓄電池系統(tǒng)，多用于小型客車）或28V（24V蓄電池系統(tǒng)，多用于大中型客車）。我們車內(nèi)的用電設(shè)備，如：收音機、空調(diào)、語音導(dǎo)航等大多由上述電壓作為輸入電壓。
首先要知道的是，汽車供電和之前提到的計算機以及通信設(shè)備供電有一個很大的區(qū)別，就是在啟動之前它各個部件的電能完全由蓄電池提供，因此，低功耗設(shè)計是汽車電子產(chǎn)品需要考慮的一個重點。下面，就我親身開發(fā)過的車身控制器（BCM）的系統(tǒng)和電源架構(gòu)做一個介紹：
圖2. BCM系統(tǒng)架構(gòu)圖
BCM的功能除了傳統(tǒng)的燈光控制、雨刮（洗滌）控制、門鎖控制等基本功能外，近年來逐漸集成了自動雨刮、發(fā)動機防盜（IMMO）、胎壓監(jiān)測（TPMS）等功能。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖二所示，這種控制器采用的主芯片一般是以16/32位arm內(nèi)核單片機的MCU為主，功耗在0.3W上下。輸入信號采集功能是它很重要的一部分，這部分電路主要是通過分立阻容網(wǎng)絡(luò)設(shè)計一套模擬、數(shù)字信號的采集、濾波電路，采集的信號回到MCU進行判斷、綜合處理。按照輸入信號的性質(zhì)可分細為三類電路：（1）數(shù)字信號采集電路（2）模擬信號采集電路（3）診斷信息采集輸入。此外，還有輸出驅(qū)動控制功能，也就是通過MCU控制驅(qū)動芯片，驅(qū)動車身的各種設(shè)備，如：車燈、雨刮器、座椅加熱器等等，反正就是各種奇奇怪怪的負載。而這些驅(qū)動器件呢，主要由高邊驅(qū)動、低邊驅(qū)動、橋驅(qū)、繼電器等構(gòu)成，其實本質(zhì)也就是一些功率MOSFET，再加上相應(yīng)的溫度、電流檢測保護（SPS），還有一些將車燈換成LED的，諸如此類。最后，就是負責通信功能的總線模塊了，比如CAN總線、LIN總線，加上以太網(wǎng)等。
圖3. BCM輸入側(cè)電源架構(gòu)圖
電源方面，以小型客車為例，蓄電池12VDC電壓進入控制器后，首先需要進行防反接處理，因為采用電池供電，所以這種防反接保護是很有必要的，否則不小心接錯電池正負極，會直接燒毀控制器內(nèi)部芯片。對于控制部分，防反功能一般采用二極管就夠了，但功率部分的話最好選擇MOSFET，但成本和設(shè)計復(fù)雜度會相應(yīng)增加。防反接之后就是一個寬輸入范圍的LDO或者BUCK，因為蓄電池電壓會下降，線纜也會有損耗，加上其他一些外接因素的干擾，所以這里最好采用寬輸入范圍的降壓電路（如圖3）。
圖4. 一款SBC與MCU連接架構(gòu)圖
另外，如果空間有限，成本放寬，則可以考慮選擇SBC方案作為系統(tǒng)的主供電，SBC內(nèi)部集成有多個LDO、高邊驅(qū)動、低邊驅(qū)動、以及CAN、LIN等通信接口，功能非常強大，是產(chǎn)品小型化的不錯選擇。上圖4所示為一款SBC芯片和MCU的連接圖，可以看到SBC內(nèi)部不僅集成了高速CAN接口用于控制器與外部通信，還可以由內(nèi)部LDO輸出電源VCC1給MCU供電，VCC2給其他IC供電，而它自身與MCU之間通信則采用SPI接口。
上面介紹的是12VDC進入控制器之后，通過防反接、LDO（SBC）降壓之后給內(nèi)部MCU以及一些功能芯片如CAN、LIN、時鐘、存儲芯片供電的方案。特點就是功耗不會很大，比如MCU電壓5V，80MHz主頻下最大電流50mA，功耗也只有0.25W左右。一個CAN模塊5V供電，40mA，功耗也就0.2W，這相比于之前介紹的計算機和5G基站電源就是小巫見大巫了。但這種低功耗產(chǎn)品采用的是電池供電，因此在低功耗設(shè)計方面是要下功夫的，比如怎么降低休眠電流等，多1mA少1mA都是大問題，而這些在之前的供電系統(tǒng)中簡直微不足道！
汽車電力領(lǐng)域供電架構(gòu)的另一個特點就是負載多樣化。比如圖2中右側(cè)“output functions”部分，列出的就是BCM所驅(qū)動的一些常用負載，如，車燈、油泵、門鎖等等，這些負載有些是容性的（車燈類），有些是感性的（門鎖電機類），還有一些阻性的（座椅加熱裝置），總之，負載種類比較多，設(shè)計供電時候需要全面考慮負載特性，加入一些保護，例如，感性負載關(guān)斷會有電壓尖峰，這就需要一個續(xù)流電路，簡單的可以采用二極管續(xù)流。
以上就是這次介紹的汽車電子領(lǐng)域主要是BCM（車身控制器）的系統(tǒng)和電源架構(gòu)。總結(jié)一下，它的供電要求與計算機以及通信領(lǐng)域的需求不同，沒有要求低壓大電流的CPU、FPGA等芯片（即使最新的控制器中加入了FPGA做信號處理，功耗暫時也還和服務(wù)器加速卡類型的應(yīng)用有很大差距），也沒有通信領(lǐng)域模擬前端供電的高噪聲抑制比高精度要求。但這一領(lǐng)域的設(shè)計挑戰(zhàn)也不容小覷：
（1）蓄電池供電情況下，控制器休眠狀態(tài)的低功耗設(shè)計
（2）控制器在驅(qū)動不同種類負載時，對電源的保護、潛在回路排除
（3）各種魯棒性設(shè)計，如防靜電、EMC設(shè)計，最壞情況分析等
這一篇寫完，我打算介紹的三大行業(yè)的電源系統(tǒng)架構(gòu)就結(jié)束了，其實，很多地方還有待進一步補充，更加技術(shù)化一點，多一些干貨，特別是電源架構(gòu)的一些案例，想在以后有了好的素材之后進一步補充，讓文章更加詳實。不過時間精力有限，暫時先寫出個框架，以后慢慢補充也可以，冰凍三尺非一日之寒。慢慢積累吧，周末愉快~