汽车SoC核心轨道的电源解决方案

MPS的Raghu Nathadi写的这篇文章很不错，进行摘录。

●HPC 控制器的电源设计

自动驾驶和高性能计算（HPC）化转型在逐渐升温，车企和一级供应商（Tier 1s）正在与芯片企业（SoC）供应商合作，提供算力，推动汽车行业的发展。中央计算机将由功能强大的SoC驱动。这些SoC具有先进的CPU和GPU功能，可以处理大量数据，并执行允许车辆实时做出决策的复杂计算。这些SoC需要先进的电源管理解决方案，特别是对于核心电压轨道。

SoC核心轨道需要数百安培的电流，并且具有严格的瞬态性能和效率要求。服务器、数据中心和人工智能（AI）应用程序已经使用了几代强大的SoC和先进的电源管理解决方案，汽车电源解决方案还面临其他挑战，例如提供AEC-Q100认证和ASIL-D功能安全，同时保持与企业SoC解决方案相同的高效率、快速瞬态响应、可配置性、可扩展性、监测和系统保护功能。

汽车SoCs

汽车SoCs的典型电源树包括电池、电池保护和多个电源轨道。低功率轨道可以使用功率管理集成电路（PMICs）或离散的点对点（PoL）转换器。高功率核心轨道需要专门的解决方案，因为它们具有严格的规格，以提供嵌入到SoC中的CPU和GPU所需的电源。此外，根据其架构和性能规格，SoC可能需要超过一个核心轨道。本文将重点介绍SoC核心轨道的电源解决方案。

传统的SoC核心轨道解决方案使用模拟脉宽调制（PWM）控制器、离散MOSFET和离散电流和温度传感电路，需要许多外部组件，会提高成本，降低汽车应用的可靠性，并需要更大的PCB面积。使用数字多相控制器和单片式DrMOS功率级的SoC核心电源解决方案。DrMOS集成了门极驱动IC、电流传感电路和温度传感电路；这使得解决方案更简单，消除了传统解决方案所需的几个外部组件。

DrMOS是一种单片电源设计，具有高功率密度、精确的电流感应和精确的芯片内温度感应，数字控制器提供了灵活性和可扩展性，可以根据给定SoC核心轨道的电流等级配置相数。数字控制器不需要任何外部反馈环路补偿，这简化了设计工作，缩短了开发时间。DrMOS还具有非易失性内存（NVM），可以配置和重新配置寄存器设置，最多可达1,000次，控制器和DrMOS提供了各种监测和保护功能，可用于实施系统级遥测。

汽车SoC和电池

现代汽车有两种12V电池选择：铅酸电池或锂离子电池。锂离子电池的最大输出电压（VOUT）高达20V，铅酸电池在瞬态时可以达到40V的最大VOUT。

使用22V额定DrMOS产品的单级电源转换实现，锂离子12V电池的车辆可以直接在电池上使用22V的DrMOS，而无需预调节器将电池电压转换为SoC核心轨道电压。这对于提高效率、减小PCB面积、降低成本和优化电气性能是一种理想的实现。

对于使用铅酸电池的车辆，在负载转储或双电池情况下，最大电压可能达到40V。在这种情况下，将使用预调节器来限制DrMOS上的输入电压（VIN）的最大值为20V，以保护DrMOS在瞬态时期。可以使用预调节器作为电压限制器。该预调节器可以以100%占空比运行，在正常工作条件下，它只是一个提供>99%效率的传递，这意味着在电池电压（VBATT）超过预设20V限制时，预调节器在电压瞬变时限制DrMOS的VIN为20V的几毫秒。

在电气性能方面，使用预调节器的实现与单级电源转换类似，因为预调节器仅在VBATT瞬变超过20V时的瞬态期间处于活动状态。此外，在具有预调节器的情况下，总PCB面积仍然可以小于传统实现，后者使用高电压离散FET和模拟PWM控制器进行单级转换。

使用两级电源转换的12V铅酸电池供电汽车应用的实现，第一级将VBATT转换为5V或3.3V的中间总线电压。第二级将中间总线电压转换为SoC核心轨道电压，使用6V额定DrMOS设备。

两级转换需要额外的半导体器件，但与单级解决方案相比，对于低至中功率SoC核心轨道来说，总体SoC电源解决方案可能更小、更便宜。系统设计师必须权衡所有因素，例如12V电池化学成分和SoC核心轨道功率规格，以选择设计的最佳电源架构。

使用数字多相控制器和单片式DrMOS功率级的简化应用原理图。MPQ2977-AEC1数字，6相控制器配置为两个输出轨和每个轨的三个相。实施了一些监测和保护功能，例如过电流保护（OCP）、过电压保护（OVP）和过温保护（OTP）。

●汽车分布式架构供电

汽车计算架构正在从分布式架构演变为由强大的SoC驱动的集中式架构。在中央计算中使用的SoC需要先进的电源管理解决方案，特别是用于核心电压轨道。传统的电源解决方案不再适用于下一代中央计算功率应用。在汽车SoC核心电源应用中使用的电源管理解决方案、数字多相控制器和DrMOS功率级可以提供可扩展、灵活、紧凑的高效电源解决方案和快速瞬态响应。本文解释了如何实现具有单级或两级电源转换的电源架构。