新型汽車(chē)設(shè)計(jì)需要具超低 Iq 的高壓同步降壓型轉(zhuǎn)換器

引言

每年，汽車(chē)都納入越來(lái)越復(fù)雜和越來(lái)越多的電子系統(tǒng)，以最大限度地提高舒適度、安全性和性能，同時(shí)盡量降低有害氣體排放。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查公司Databeans的研究，從 2012 年到 2014 年，汽車(chē)半導(dǎo)體市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以 9% 的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。進(jìn)一步促進(jìn)汽車(chē)中電子系統(tǒng)日益增多的因素是：新的安全系統(tǒng)、信息娛樂(lè)系統(tǒng) (車(chē)載多媒體系統(tǒng))、引擎、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和底盤(pán)管理、衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電和電視、LED 照明、藍(lán)牙和其他無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)以及后視攝像頭。幾年前，這些系統(tǒng)僅能在“高端”豪華型汽車(chē)中見(jiàn)到，但是現(xiàn)在，這些系統(tǒng)在每一個(gè)汽車(chē)制造商的中檔汽車(chē)中都能見(jiàn)到，從而促使了汽車(chē) IC 市場(chǎng)以更快的速度增長(zhǎng)。

汽車(chē)中電子系統(tǒng)增加的另一個(gè)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素是采用了新型發(fā)送機(jī)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這些新型設(shè)計(jì)包括：直接燃料噴射、引擎停-啟控制、以及各種不同的混合型 / 電動(dòng)型汽車(chē)配置。這些系統(tǒng)的目標(biāo)是最大限度地降低有害氣體排放，同時(shí)提高燃料燃燒效率和汽車(chē)的總體性能。這些要求一度是相互排斥的，現(xiàn)在采用“智能”引擎控制系統(tǒng)、大量傳感器和幾個(gè) DSP 后，汽車(chē)制造商能憑借“更干凈”地運(yùn)行的引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的引擎效率。電子控制單元 (ECU) 正在快速增多，以?xún)?yōu)化很多方面的汽車(chē)設(shè)計(jì)，其中包括引擎和動(dòng)力傳統(tǒng)系統(tǒng)管理以至動(dòng)態(tài)底盤(pán)控制。總之，這些新型系統(tǒng)提高了安全性、性能和駕駛員的舒適度，并有助于為我們所有人提供一個(gè)更加干凈的環(huán)境。

隨著汽車(chē)系統(tǒng)中電子組件數(shù)量的增多，可用空間在持續(xù)縮小，從而極大地提高了每個(gè)系統(tǒng)的密度。所有這些系統(tǒng)都需要電源轉(zhuǎn)換 IC，而且通常有多個(gè)電壓軌以適用于每一個(gè)子系統(tǒng)。傳統(tǒng)上，線(xiàn)性穩(wěn)壓器可以滿(mǎn)足大部分這類(lèi)電源轉(zhuǎn)換需求，因?yàn)樾屎托〕叽绮皇呛苤匾?。但是隨著電源密度提高了數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，而且很多應(yīng)用都需要在相對(duì)較高的環(huán)境溫度下工作，任何適用的散熱器都太大了，無(wú)法包括在內(nèi)。因此，要最大限度地減少以熱量形式損失的功率，電源轉(zhuǎn)換效率就變得至關(guān)重要了，這促使降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器取代了線(xiàn)性穩(wěn)壓器。然而，新出現(xiàn)的汽車(chē)設(shè)計(jì)要求，甚至在電源電壓變化范圍非常寬、靜態(tài)電流非常低和開(kāi)關(guān)頻率非常高的情況下，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器也要提供非常高的效率，而在實(shí)現(xiàn)所有這一切的同時(shí)，還要提供占板面積非常緊湊和高成本效益的解決方案。

電子瞬態(tài)挑戰(zhàn)：停/啟、冷車(chē)發(fā)動(dòng)和負(fù)載突降情況

停-啟系統(tǒng)

為了最大限度地提高燃油里程，同時(shí)又可盡量降低二氧化碳排放量，其他可替代的動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)一直在發(fā)展。無(wú)論這些新技術(shù)采用了混合電動(dòng)、清潔柴油還是更傳統(tǒng)的內(nèi)燃設(shè)計(jì)，它們都有可能還采用了停/啟電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。停/啟電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)幾乎已經(jīng)普遍出現(xiàn)于世界各地所有混合型設(shè)計(jì)中，很多歐洲和亞洲的汽車(chē)制造商也已經(jīng)開(kāi)始在傳統(tǒng)的汽油和柴油汽車(chē)中采用停/啟系統(tǒng)。在美國(guó)，福特汽車(chē)公司最近宣布，將在很多 2012 家用車(chē)型中采用這類(lèi)系統(tǒng)。

不過(guò)，停/啟系統(tǒng)給電源管理系統(tǒng)帶來(lái)了另一個(gè)挑戰(zhàn)。首先，在引擎 / 交流發(fā)電機(jī)關(guān)閉時(shí)，電池必須能給汽車(chē)的各種燈、環(huán)境控制以及其他電子系統(tǒng)供電。此外，當(dāng)引擎再次重啟時(shí)，電池必須能給啟動(dòng)器供電。在啟動(dòng)時(shí)，這種極端的電池加載情況又引入了另一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，這一次是電氣方面的挑戰(zhàn)，因?yàn)橹貑⒁?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/需要">需要吸取大量電流，這有可能暫時(shí)將電池電壓拉低至 4V，這個(gè)變化過(guò)程與圖 1 所示的冷車(chē)發(fā)動(dòng)電壓曲線(xiàn)相當(dāng)類(lèi)似。當(dāng)充電器返回穩(wěn)定狀態(tài)、電池總線(xiàn)電壓短暫低于標(biāo)稱(chēng)的 13.8V 時(shí)，要提供一個(gè)良好穩(wěn)定和僅比輸入低幾百毫伏的輸出，以保持關(guān)鍵系統(tǒng)不間斷運(yùn)行，這時(shí)對(duì)電子系統(tǒng)的挑戰(zhàn)就出現(xiàn)了。

圖 1：在 36V 負(fù)載突降瞬態(tài)和 4V 冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況下 LT8610 的電壓曲線(xiàn)

20V/DIV：每格 20V

LOAD DUMP：負(fù)載突降

COLD CRANK：冷車(chē)發(fā)動(dòng)

當(dāng)汽車(chē)引擎經(jīng)受寒冷或冰凍溫度一段時(shí)間以后，“冷車(chē)發(fā)動(dòng)”的情況就會(huì)發(fā)生。引擎油變得極度粘稠，需要啟動(dòng)器發(fā)動(dòng)機(jī)提供更大的扭矩，這反過(guò)來(lái)又從電池吸取了更大的電流。這種大電流負(fù)載可能在一點(diǎn)火時(shí)，將電池 / 主總線(xiàn)電壓拉至低于 4.0V，點(diǎn)火完成之后，電壓一般返回標(biāo)稱(chēng)的 13.8V。這種情況給汽車(chē)電源總線(xiàn)帶來(lái)的電氣結(jié)果可在圖 1 中看到，但是這種結(jié)果可能由不同的原因造成。就引擎控制、安全和導(dǎo)航系統(tǒng)等一些應(yīng)用而言，當(dāng)務(wù)之急是需要良好穩(wěn)定的輸出電壓 (至少 3V)，以順利通過(guò)冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況，在汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。

電池電纜斷接，而交流發(fā)電機(jī)仍然在給電池充電，這時(shí)發(fā)生的情況即是“負(fù)載突降”。汽車(chē)運(yùn)行時(shí)電池電纜松動(dòng)，或汽車(chē)運(yùn)行時(shí)電池電纜斷裂，都可能發(fā)生這種情況。這種電池電纜的突然斷接可能產(chǎn)生高達(dá) 60V 的瞬態(tài)電壓尖峰，因?yàn)榻涣靼l(fā)電機(jī)正在嘗試給“不存在”的電池充滿(mǎn)電。交流發(fā)電機(jī)上的瞬態(tài)電壓抑制器通常將總線(xiàn)電壓箝位在 30V 至 34V 之間，并吸收大部分浪涌，不過(guò)，交流發(fā)電機(jī)下游的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器承受了高達(dá) 36V 的瞬態(tài)電壓尖峰，如圖 1 所示。人們不僅期望這些轉(zhuǎn)換器不被損壞，而且這些轉(zhuǎn)換器還必須在這種瞬態(tài)事件發(fā)生期間持續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓。

高效率工作

汽車(chē)應(yīng)用中電源管理 IC 的高效率工作是十分重要，這出于兩個(gè)主要原因。首先，電源轉(zhuǎn)換效率越高，以熱量形式浪費(fèi)的能量就越少。就任何電子系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性而言，熱量都是大敵，因此必須有效控制熱量，控制熱量一般需要散熱器，這增大了解決方案的復(fù)雜性、尺寸和成本。其次，在混合型或電動(dòng)型汽車(chē)中，任何電能的浪費(fèi)都將直接縮短汽車(chē)能行駛的路程。直到不久前，高壓單片電源管理 IC 和高效率同步整流設(shè)計(jì)還是相互排斥的，因?yàn)樗璧?IC 工藝不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)。歷史上，效率最高的解決方案是高壓控制器，這類(lèi)控制器用外部 MOSFET 實(shí)現(xiàn)同步整流。然而就低于 15W 的應(yīng)用而言，與單片解決方案相比，這樣的配置相對(duì)復(fù)雜和笨重。幸運(yùn)的是，市場(chǎng)已有能同時(shí)提供高壓 (高達(dá) 42V)、高效率和內(nèi)部同步整流的新型電源管理 IC。

“始終保持接通”系統(tǒng)需要超低電源電流

人們要求很多電子子系統(tǒng)以“備用”或“保持有效”模式工作，從而在這類(lèi)狀態(tài)下以穩(wěn)定的電壓吸取最小的靜態(tài)電流。在大多數(shù)導(dǎo)航、行車(chē)安全、車(chē)輛安全和引擎管理電子電源系統(tǒng)中，都能見(jiàn)到這類(lèi)電路。每一個(gè)這樣的子系統(tǒng)都可能使用幾個(gè)微處理器和微控制器。大多數(shù)豪華型汽車(chē)都有超過(guò) 100 個(gè)這類(lèi)內(nèi)置的 DSP，其中約 20% 需要始終保持接通工作。在這類(lèi)系統(tǒng)中，電源轉(zhuǎn)換 IC 必須以?xún)煞N不同的模式工作。首先，當(dāng)汽車(chē)運(yùn)行時(shí)，給這些 DSP 供電的電源一般會(huì)以電池和充電系統(tǒng)饋送的滿(mǎn)電流工作。不過(guò)，當(dāng)汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，這些系統(tǒng)中的微處理器必須保持“有效”，從而要求它們的電源 IC 提供恒定電壓，同時(shí)從電池吸取最小的電流。既然可能有超過(guò) 20 個(gè)這種始終保持接通的處理器同時(shí)工作，那么即使點(diǎn)火系統(tǒng)關(guān)閉了，對(duì)電池也存在極大的功率需求?？傮w上，可能需要數(shù)百 mA 的電源電流給這些始終保持接通的處理器供電，這可能在幾天之內(nèi)就徹底耗盡電池的電量。例如。如果一輛汽車(chē)的每個(gè)高壓降壓型轉(zhuǎn)換器都需要 2mA 至 10mA 的電源電流，那么來(lái)自車(chē)輛安全系統(tǒng)、GPS 系統(tǒng)和遙控車(chē)門(mén)開(kāi)啟系統(tǒng)以及 ABS 剎車(chē)等其他必須始終保持接通的系統(tǒng)之 20 個(gè)這類(lèi)轉(zhuǎn)換器，再加上電動(dòng)車(chē)窗的漏電流，就有可能使車(chē)主在完成一次延長(zhǎng)的 3 周商務(wù)旅行之后會(huì)發(fā)現(xiàn)電池電量已經(jīng)耗盡，從而無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)引擎。這些電源的靜態(tài)電流必須極大地降低，以在不增加電子系統(tǒng)尺寸或復(fù)雜性的前提下，延長(zhǎng)電池壽命。直到不久前，高輸入電壓和低靜態(tài)電流這兩個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器 IC 的參數(shù)還是相互排斥的。

為了更好地滿(mǎn)足這些需求，幾家汽車(chē)制造商確立了低靜態(tài)電流目標(biāo)，即每個(gè)始終保持接通的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)電流 10uA。直到不久前，還要求系統(tǒng)制造商并聯(lián)連接低靜態(tài)電流 LDO 和降壓型轉(zhuǎn)換器，并在兩者之間切換，以在汽車(chē)引擎未運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，降低從電池吸取的電流。這導(dǎo)致了昂貴、笨重且效率相對(duì)低的解決方案。

一種新型解決方案

如之前已經(jīng)討論的那樣，汽車(chē)電池總線(xiàn)遭遇不同的瞬態(tài)情況時(shí)，其電壓可能從低于 4V 變化到超過(guò) 40V。隨著停-啟系統(tǒng)的積極采用，在一般的行程中，電源總線(xiàn)會(huì)多次遇到低壓瞬態(tài)情況。需要良好穩(wěn)定的電壓軌以克服這些情況，就汽車(chē)電子系統(tǒng)而言，這一點(diǎn)是最重要的。汽車(chē)中電子系統(tǒng)的增多在持續(xù)加速，電子控制單元 (ECU) 用在車(chē)輛安全、行車(chē)安全、導(dǎo)航、底盤(pán)控制、以及引擎 / 變速器管理系統(tǒng)中，因此，對(duì)于能提供高效率、低靜態(tài)電流、高頻切換、以及非?？煽康谋Ｗo(hù)功能和可靠性的高壓電源管理 IC 之需求也將持續(xù)加速。幸運(yùn)的是，IC 設(shè)計(jì)師已經(jīng)滿(mǎn)足了這些苛刻的要求。

凌力爾特的 LT8610 是第一個(gè)高壓同步降壓型穩(wěn)壓器系列。其 3.4V 至 42V 的輸入電壓范圍使該器件非常適用于汽車(chē)應(yīng)用，因?yàn)檫@類(lèi)應(yīng)用既會(huì)遇到冷車(chē)發(fā)動(dòng)或停-啟情況下的低壓瞬態(tài)，又會(huì)遇到負(fù)載突降情況下的高壓瞬態(tài)。其 2.5A 的連續(xù)輸出電流和能夠提供 VIN - 200mV 至 0.97V 的輸出電壓使該器件非常適用于很多直接靠電池總線(xiàn)運(yùn)行的汽車(chē)軌。該器件可構(gòu)成簡(jiǎn)單和占板面積非常緊湊的解決方案，無(wú)需任何外部二極管，如圖 2 所示。

圖 2：LT8610 用于提供 5V/2.5A 輸出的汽車(chē)應(yīng)用典型原理圖，