【導(dǎo)讀】現(xiàn)代汽車不斷增加越來越復(fù)雜的電子系統(tǒng)。目前在一般的汽車中，電子系統(tǒng)成本占總成本的 20% 多，但是到 2008 年，這一比例將增長到超過 30%。防撞雷達(dá)、自適應(yīng)巡航控制、輪胎壓力監(jiān)視、導(dǎo)航系統(tǒng)、免提蜂窩電話和其它無線連接以及生物識別訪問系統(tǒng)都是這些電子系統(tǒng)的具體例子。
不過，一個有極大增長的領(lǐng)域是基于 DVD/HDD 的導(dǎo)航系統(tǒng)。這類系統(tǒng) 1997 年推出，預(yù)計(jì) 2005 年全球銷量將超過 1300 萬臺。就任何類型的電子產(chǎn)品而言，汽車應(yīng)用環(huán)境都一直是非常嚴(yán)酷的，這并不讓人感到意外。寬工作電壓范圍要求加上高瞬態(tài)電壓和大的溫度變化給電子系統(tǒng)很大的難題。更嚴(yán)重的是，性能要求不斷增高，而且系統(tǒng)不同的部分需要多種不同的電源電壓。
今天生產(chǎn)的大多數(shù)中高檔汽車都將基于 DVD 的GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備提供。然而，設(shè)計(jì)一個處理這類系統(tǒng)中所有不同電壓軌的電源可能像為筆記本 PC 設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)一樣復(fù)雜。一般的導(dǎo)航系統(tǒng)可能有 6 個或更多不同的電源，這包括 8V、5V、3.3V、2.5V、1.5V 和 1.2V 電源。8V 用于為旋轉(zhuǎn)光盤的 DVD 電動機(jī)供電，這通常需要高達(dá) 2A 的峰值電流。5V 和 3.3V 電源軌一般用于系統(tǒng)總線，通常需要分別提供 2A ~ 3A 的電流。存儲器和 I/O 都需要 2.5V 電源軌，因此 1A ~ 2A 的電流足夠了。1.5V 和 1.2V 電源軌分別用于為 CPU 內(nèi)核和 DSP 內(nèi)核供電。這兩個軌的功率通常分別為 3W~5W。圖1顯示了具有內(nèi)置導(dǎo)航系統(tǒng)的汽車內(nèi)部情況。
同時，隨著這些系統(tǒng)中的組件數(shù)增多，可用空間也越來越小了。因此，既然任何實(shí)際的散熱系統(tǒng)都太大，無法輕易容納到電子系統(tǒng)中，那么在空間限制和工作溫度范圍這些先決條件下，轉(zhuǎn)換效率就變得更關(guān)鍵了。在低輸出電壓和甚至高于幾百毫安的中等電流時，簡單地用線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生這些系統(tǒng)電壓不再有實(shí)際意義。因此，在過去幾年中，主要由于熱量限制，開關(guān)穩(wěn)壓器一直在不斷地取代線性穩(wěn)壓器。開關(guān)的好處包括效率提高和占板面積減小，與額外的復(fù)雜性和 EMI 問題相比，還是利大于弊的。
考慮到這些限制因素，一個開關(guān)穩(wěn)壓器用于汽車導(dǎo)航系統(tǒng)時，需要具有以下特點(diǎn)：
● 寬輸入工作范圍
● 在寬負(fù)載范圍內(nèi)的高效率
● 在正常工作、備用和停機(jī)時具有低靜態(tài)電流
● 低熱阻
● 噪聲和 EMI 輻射最低
● 負(fù)載突降抗毀性
讓我們來更詳細(xì)地逐一考慮這些重要特性。
寬輸入工作范圍
任何開關(guān)穩(wěn)壓器都需要規(guī)定工作在 3V~60V的寬輸入電壓范圍，以確保滿足“冷車發(fā)動”和“負(fù)載突降”情況的要求。寬輸入電壓范圍還有一個附加的好處：允許這些汽車系統(tǒng)在14V或42V電壓上工作。而且，60V額定值為14V系統(tǒng)提供了良好的裕度，這種系統(tǒng)通常箝位在36V~40V的范圍。
效率
在大多數(shù)汽車系統(tǒng)中，寬負(fù)載范圍內(nèi)的高效率電源轉(zhuǎn)換都是極其重要的。例如，在10mA ~ 2.5A的負(fù)載范圍內(nèi)，5V輸出希望的電源轉(zhuǎn)換效率大約為 85%。在大電流時，內(nèi)部開關(guān)需要有良好的飽和度，一般在 3A 時為 0.1Ω。為了提高輕負(fù)載時的效率，要降低驅(qū)動電流或者讓驅(qū)動電流與負(fù)載電流成正比。內(nèi)部控制電路也可以通過偏置引腳供電，而偏置引腳可以由輸出供電。這利用了降壓轉(zhuǎn)換器的電源轉(zhuǎn)換效率。實(shí)際上，這個偏置電流是從輸出而不是輸入獲得的，這就按照輸出與輸入電壓比降低了控制電路所需的輸入電源電流。例如，一個在3.3V時為100mA 的輸出電流在12V時僅需要平均 30mA 的輸入電流。這最大限度地降低了控制電路所需的輸入電流，并提高了輕負(fù)載時的效率。
低靜態(tài)電流
有很多汽車系統(tǒng)應(yīng)用需要連續(xù)功率，甚至在汽車停車后也是這樣。這些應(yīng)用的一個關(guān)鍵要求是低靜態(tài)電流。在輸出電流降至低于大約 100mA 之前，這種應(yīng)用設(shè)備會一直以正常的連續(xù)開關(guān)模式工作。低于這一電流值以后，開關(guān)穩(wěn)壓器必須進(jìn)行脈沖跳躍以維持穩(wěn)定電壓。穩(wěn)壓器在脈沖之間可以進(jìn)入休眠模式，在這種模式中，只對部分內(nèi)部電路供電。在輕負(fù)載電流時，開關(guān)穩(wěn)壓器需要自動切換到突發(fā)模式工作。就 12V~3.3V 的轉(zhuǎn)換器而言，在這種模式中，靜態(tài)電流應(yīng)該降至低于100mA。內(nèi)部基準(zhǔn)和電源良好電路在休眠模式時將保持運(yùn)行以監(jiān)視輸出電壓。靜態(tài)電流在停機(jī)時應(yīng)該低于1mA。
低熱阻
理想情況下，節(jié)點(diǎn)至外殼的熱阻應(yīng)該較低。如果器件的底面是露銅的并焊接到PC板表面，那么PC板可將熱量從器件中傳導(dǎo)出去。現(xiàn)在常用具有內(nèi)部電源平面 的 4 層電路板可以實(shí)現(xiàn)40℃/W 范圍內(nèi)的熱阻。對金屬外殼熱量有良好傳導(dǎo)作用的高環(huán)境溫度應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)的熱阻接近10℃/W的典型節(jié)點(diǎn)至外殼熱阻。這有助于擴(kuò)大有用的工作溫度范圍。
噪聲與 EMI 輻射問題
盡管開關(guān)穩(wěn)壓器比線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生較大噪聲，但是開關(guān)穩(wěn)壓器的效率卻高得多。現(xiàn)在已經(jīng)證明，在很多敏感應(yīng)用中，噪聲和 EMI 是可管理的，只要開關(guān)按預(yù)期工作就行。如果一個開關(guān)穩(wěn)壓器在正常工作模式時以恒定頻率開關(guān)，切換邊緣是干凈并可預(yù)測的，沒有過沖或高頻振鈴，那么就可以最大限度減小 EMI。小封裝尺寸和高工作頻率可以實(shí)現(xiàn)小且緊湊的布局，這也最大限度地減小了 EMI 輻射。此外，如果穩(wěn)壓器可以采用低 ESR 陶瓷電容器，那么輸入和輸出電壓紋波都可以最大限度地減小，這種紋波是系統(tǒng)中噪聲的附加來源。
負(fù)載突降時不被損壞的能力
“負(fù)載突降”指的是在交流發(fā)電機(jī)給電池充電時電池電纜斷接的情形。圖2顯示了由負(fù)載突降引起的典型電流脈沖。這種突然斷接可能產(chǎn)生高達(dá)60V的瞬態(tài)電壓尖峰，因?yàn)榻涣靼l(fā)電機(jī)試圖給電池完全充電。交流發(fā)電機(jī)上的瞬態(tài)電壓抑制器通常把總線電壓“箝位”于36V和60V之間，因而使得交流發(fā)電機(jī)的下游器件主端DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠承受 60V 的瞬態(tài)“尖峰”。由于希望這些轉(zhuǎn)換器以及由這些轉(zhuǎn)換器供電的子系統(tǒng)在瞬態(tài)事件發(fā)生期間和發(fā)生以后正常工作，所以DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠處理這種高瞬態(tài)電壓是至關(guān)重要的。目前有各種可在外部實(shí)施的“保護(hù)”電路（通常是瞬態(tài)電壓抑制器），但是這些電路增加了成本并需要占用寶貴的電路板空間。凌特公司的高壓開關(guān)穩(wěn)壓器都能承受高達(dá)60V的瞬態(tài)電壓，同時在不對系統(tǒng)性能或可靠性造成影響的前提下維持輸出穩(wěn)定。一般情況下，這些穩(wěn)壓器都是降壓型或降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，可經(jīng)受由充電/電池系統(tǒng)中斷引起的汽車電池和交流發(fā)電機(jī)的電壓置換。
● 負(fù)載突降瞬態(tài)是由正在充電的電池意外斷接引起的電壓尖峰。
● 負(fù)載突降瞬態(tài)規(guī)格為 36V ~ 60V，但是取決于具體使用的是哪一代電源以及所用的控制方法。
● 如果不加抑制，負(fù)載突降瞬態(tài)可能損壞電源總線上的很多電子元件。
具有內(nèi)在高壓瞬態(tài)和高效率要求的汽車子系統(tǒng)對電源設(shè)計(jì)提出了越來越高的要求。這些電源必須在非常緊湊的占板面積上提供大功率、高效率和低噪聲，而且必須在寬輸入電壓范圍內(nèi)維持高效率。有些 DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案在高輸入電壓時可以滿足上述部分要求，但是它們在低輸入電壓時無法保持高效率。很多這類轉(zhuǎn)換器都有頻率補(bǔ)償電路，需要笨重的輸入和輸出電容器，這不僅增大了解決方案的總體尺寸，而且還導(dǎo)致高輸出紋波電壓。
凌特公司最近推出的DC/DC轉(zhuǎn)換器LT3434解決了上述汽車導(dǎo)航應(yīng)用的很多關(guān)鍵問題，它屬于一個不斷擴(kuò)大的 60V單片降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器系列。LT3434工作在3.3V~60V的寬輸入電壓范圍，參見圖 3。它在負(fù)載電流高達(dá)2.5A 時仍具有高效率。在所有電壓、負(fù)載和溫度條件下，其基準(zhǔn)準(zhǔn)確度均為±2%。
由于具有能以突發(fā)模式（BurstMode）工作的特點(diǎn)，就 12V~3.3V應(yīng)用而言，其靜態(tài)電流低于 100uA。該器件采用小型扁平 TSSOP 封裝，具有非常低的熱阻，允許設(shè)計(jì)占板面積小的方案。最后，它采用電流模式拓?fù)湟垣@得良好的瞬態(tài)響應(yīng)和容易實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，以及用獲得專利的電路在所有占空比條件下保持恒定峰值開關(guān)電流。開關(guān)頻率是恒定的 200kHz，而且該器件也可以與更高的頻率同步。它在汽車溫度范圍內(nèi)提供嚴(yán)格穩(wěn)定的電壓，并具有電源良好/復(fù)位、軟啟動和 UVLO 功能。該集成電路可為汽車降壓型應(yīng)用組成電流高達(dá) 2.5A 和堅(jiān)固、高效且占板面積小的解決方案。
結(jié)論
盡管汽車導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，而且要求高性能模擬DC/DC轉(zhuǎn)換器，但是無需驚慌。像凌特公司這樣的供應(yīng)商正在推出一批“新潮”穩(wěn)壓器，這些穩(wěn)壓器兼有大量關(guān)鍵功能，使電源設(shè)計(jì)對系統(tǒng)工程師來說不再那么傷腦筋了。
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