汽車電子產(chǎn)品日益增長的需求給電源IC設(shè)計帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)

引言
在過去的10年里，汽車電子產(chǎn)品有了突飛猛進的發(fā)展，車載電子控制、導(dǎo)航以及娛樂系統(tǒng)不管是在數(shù)量上還是在精細(xì)程度上都有了顯著的提高。今后，車載電子產(chǎn)品的發(fā)展有望進一步加速。據(jù)市場調(diào)研公司Allied Business Intelligence預(yù)測，全球汽車半導(dǎo)體市場的規(guī)模將從2003年的123億美元增長至2007年的170億美元以上。Strategy Analytics公司也持相似的觀點，據(jù)該公司預(yù)測，汽車電子系統(tǒng)在車輛總成本中所占的比例將從目前的20% 飚升至2008年的30%。幾個大發(fā)展趨勢對汽車電子產(chǎn)品的這種高速成長起到了推波助瀾的作用。在汽車系列的一端，諸如油門控制、制動和懸掛控制等眾多傳統(tǒng)上的機械系統(tǒng)目前均采用電子系統(tǒng)來進行控制和優(yōu)化。而在另一端，LED照明、娛樂和無線導(dǎo)航正迅速成為非豪華型汽車的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。所有這些系統(tǒng)均要求進行某種類型的電源管理，而且，它們所面臨的電子技術(shù)挑戰(zhàn)很多，與此同時，維持高可靠性也是極為重要的。
本文將重點探討兩大主要組成部分的成長，即目前以及下一代汽車中分布式電源和LED照明。這兩個區(qū)段專業(yè)市場給汽車電子產(chǎn)品設(shè)計師和制造商均帶來了新的挑戰(zhàn)。了解這些挑戰(zhàn)并找到可行的解決方案是最為重要的，因為與這些系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的發(fā)展似乎是沒有止境的。

分布式電源單元
在汽車的整個底盤上，存在著為數(shù)眾多的分布式電源或"負(fù)載點"電源。這些電源單元（PSU）負(fù)責(zé)對12V（標(biāo)稱值為13.8V）的總線電壓進行降壓（或升壓）操作，以便為大量的子系統(tǒng)供電。這些子系統(tǒng)包括遠程信息處理/導(dǎo)航系統(tǒng)、電動座椅和電動車門、車身內(nèi)部和外部照明以及電子剎車和引擎操控等。這些系統(tǒng)所要求的電源電壓范圍有可能從36V（用于某些LED應(yīng)用）到1.2V（用于驅(qū)動低電壓微處理器）-- 諸如導(dǎo)航設(shè)備等諸多系統(tǒng)也許需要在一個單元中采用8個以上的不同電壓電平。視PSU在汽車電源總線上操作位置的不同，它有可能需要在功率要求非常苛刻的條件下運行。這些要求包括負(fù)載突降、冷車發(fā)動、輕負(fù)載條件下的極低功耗以及低噪聲操作。此外，通常還要求解決方案的占位面積非常緊湊狹小，并具有較高的熱效率。凌特公司正在不斷壯大其專為滿足上述苛刻要求而開發(fā)的產(chǎn)品系列。

負(fù)載突降條件（60V瞬變保護）
"負(fù)載突降"指的是電池電纜在交流發(fā)電機向電池充電的過程中發(fā)生斷接的狀態(tài)。當(dāng)交流發(fā)電機試圖對電池進行滿充電時，電池電纜的這種突然斷接會產(chǎn)生高達60V的瞬態(tài)電壓尖峰。交流發(fā)電機上的瞬態(tài)電壓抑制器通常會把總線電壓箝位于36V至60V之間，并吸收掉大部分的浪涌電流。然而，交流發(fā)電機的下行DC/DC轉(zhuǎn)換器將承受這些60V的瞬變尖峰電壓。由于預(yù)料到這些轉(zhuǎn)換器以及由它們供電的子系統(tǒng)均會在該瞬變事件發(fā)生期間以及之后執(zhí)行操作，因此，至關(guān)重要的是DC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)具備處理這一高電壓（最大值為60V）瞬變的能力?？梢圆捎枚喾N能夠在外部實現(xiàn)的保護電路（常常是抑制器），但這樣會導(dǎo)致成本的增加，并占用寶貴的板級空間。凌特的多款高電壓開關(guān)穩(wěn)壓器（包括LT3433、LT3434和LT1976）均能夠承受高達60V的瞬變電壓，并能夠在不影響系統(tǒng)性能或可靠性的情況下維持輸出的穩(wěn)定。一般地，這些降壓型或降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器將暴露于因充電/電池系統(tǒng)中的中斷所引起的車用電池和交流發(fā)電機電壓瞬變條件之下。

冷車發(fā)動條件
“冷車發(fā)動” 是一個在車輛引擎經(jīng)受了一段時間的低溫或冰點溫度的情況下出現(xiàn)的情況。引擎潤滑油變得非常粘滯，而且要求起動機電機提供更大的扭矩，而這反過來又需要從電池獲得更多的電流。在點火時，該大電流負(fù)載會把電池/主總線電壓拉低到4V，之后它一般將恢復(fù)至13.8V的標(biāo)稱值。當(dāng)某些子系統(tǒng)在這種冷車發(fā)動的整個過程中都需要一個經(jīng)過良好穩(wěn)壓的5V恒定輸出時，就會發(fā)生上述問題。這些應(yīng)用包括ECU、環(huán)境和應(yīng)急系統(tǒng)微處理器，它們對于確保車輛的安全性以及可靠的性能是至關(guān)重要的。以往，人們是通過采用雙電感器SEPIC（單端初級繞組電感器耦合）DC/DC轉(zhuǎn)換器來滿足這些要求的。SEPIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不利的一面在于其雙電感器配置不僅成本昂貴、體積龐大，而且效率較低，約為70%。
凌特的LT3433高壓降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器是專門為給這種4V冷車發(fā)動環(huán)境提供一種效率更高效、結(jié)構(gòu)更為緊湊的解決方案而開發(fā)的。該轉(zhuǎn)換器尤其適用于12V汽車電池應(yīng)用，能夠在4V冷車發(fā)動至60V負(fù)載突降的電池輸入電壓范圍內(nèi)維持輸出電壓的穩(wěn)定。橋式模式操作的門限約為8V，因此轉(zhuǎn)換器將主要工作于降壓模式（冷車發(fā)動狀態(tài)除外）。在降壓操作過程中，該轉(zhuǎn)換器可在高達60V的輸入電壓條件下提供高至350mA的負(fù)載電流。當(dāng)工作于13.8V的標(biāo)稱輸入電壓條件下時，該LT3433轉(zhuǎn)換器可提供400mA的負(fù)載電流和高達82% 的效率。當(dāng)輸入電壓降至8V以下時，轉(zhuǎn)換器將變換至橋式操作模式以維持輸出電壓的穩(wěn)定。由于LT3433的開關(guān)電流限值是固定的，因此，當(dāng)工作于橋接模式時，轉(zhuǎn)換器的負(fù)載能力下降。于是，當(dāng)采用一個4V輸入電壓時，該轉(zhuǎn)換器能夠提供高達125mA的負(fù)載電流。該LT3433轉(zhuǎn)換器不僅能夠在大范圍的DC輸入電壓條件下工作，而且還能夠在輸入瞬變期間維持嚴(yán)格的輸出穩(wěn)壓。當(dāng)承受一個用于模擬冷車發(fā)動條件，而持續(xù)時間為1ms的13.8V至4V輸入瞬變時，125mA負(fù)載電流條件下的輸出穩(wěn)壓波動范圍被維持在1% 以內(nèi)。

用于“始終接通”系統(tǒng)的低供電電流
    隨著新型導(dǎo)航、安全和"始終接通"電源系統(tǒng)在汽車中的應(yīng)用和普及，對電池的需求日益增加（即使在點火裝置關(guān)閉的情況下也不例外）?？偟恼f起來，用于維持"始終接通"處理器電壓所需的數(shù)百毫安供電電流有可能在幾周之內(nèi)便將電池電量耗盡。例如，在經(jīng)歷了一次漫長的商務(wù)旅行之后，高檔豪華型汽車的引擎有可能無法發(fā)動。為了在不顯著增加電子系統(tǒng)的外形尺寸和復(fù)雜性的情況下延長電池的使用壽命，必需大幅度地減小靜態(tài)電流。直到最近，對于DC/DC轉(zhuǎn)換器而言，高輸入電壓能力和低靜態(tài)電流這兩項要求還是互斥參數(shù)。如果車用高電壓降壓型轉(zhuǎn)換器需要2_10mA的供電電流，當(dāng)采用了多個這樣的轉(zhuǎn)換器以及諸如ABS剎車等強制"始終接通" 的系統(tǒng)時，再加上來自電動車窗以及眾多其它"始終接通"系統(tǒng)的漏電流，則將會導(dǎo)致電池儲能的實質(zhì)性耗盡。
    為了更好地應(yīng)對這些要求，多家汽車制造商為每個"始終接通"DC/DC轉(zhuǎn)換器制定了一個100μA的低靜態(tài)電流目標(biāo)。直到最近，系統(tǒng)制造商仍然需要將一個低靜態(tài)電流LDO與一個降壓型轉(zhuǎn)換器并聯(lián)，并且每當(dāng)車輛停駛時都將從該轉(zhuǎn)換器切換至一個電流低得多的LDO。這樣形成的解決方案不僅成本昂貴、體積龐大，而且效率較低。凌特推出的60V、＜100μA降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器系列（如表1所列）為"始終接通"問題提供了一種外形結(jié)構(gòu)和效率均有大幅度改善的解決方案。
表1  凌特公司的高電壓、低靜態(tài)電流穩(wěn)壓器
器件型號
器件架構(gòu)
VIN 范圍
ISW
(A)
頻率
IQ
((A)
封裝
LT3010
高電壓LDO
3.5 至 80V
0.05
不適用
30
MS8E
LT3437
降壓型穩(wěn)壓器
3.3 至 80V
0.20
200kHz
100
DFN
LT3438
降壓型穩(wěn)壓器
3.3 至 80V
0.20
500kHz
100
DFN
LT1934
降壓型穩(wěn)壓器
3.3 至 34V
0.40
COT*
12
ThinSOT
LT3433
降壓-升壓型
穩(wěn)壓器
4 至 60V
0.50
200kHz
100
TSSOP-16E
LT1976
降壓型穩(wěn)壓器
3.3 至 60V
1.50
200kHz
100
TSSOP-16E
LT1977
降壓型穩(wěn)壓器
3.3 至 60V
1.50
500kHz
100
TSSOP-16E
LT3434
降壓型穩(wěn)壓器
3.3 至 60V
3.00
200kHz
100
TSSOP-16E
LT3435
降壓型穩(wěn)壓器
3.3 至 60V
3.00
500kHz
100
TSSOP-16E
* 恒定關(guān)斷時間
LT3434是一款高壓、突發(fā)模式（Burst Mode(r)）操作、降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，可將靜態(tài)電流維持在100μA以下。其典型應(yīng)用示于圖1，最終的供電電流和效率曲線分別示于圖2和圖3。LT3434可在3.3V至60V的VIN范圍內(nèi)工作，從而使其成為大多數(shù)汽車應(yīng)用中常見的負(fù)載突降和冷車發(fā)動條件的理想選擇。其3A內(nèi)部開關(guān)能夠在低至1.25V的電壓條件下提供高達2.5A的連續(xù)輸出電流。它所具有的超低靜態(tài)電流使其成為諸如汽車系統(tǒng)等采用"始終接通"系統(tǒng)并要求延長電池使用壽命的應(yīng)用之理想選擇。LT3434因其采用了散熱增強型TSSOP封裝和200kHz開關(guān)頻率而保持了較小的外部電感器和電容器尺寸，從而提供了一種占位面積緊湊狹小且散熱效率很高的解決方案。
圖1  具有100μA無負(fù)載靜態(tài)電流的14V至3.3V降壓型轉(zhuǎn)換器
圖2  LT3434供電電流與輸入電壓的關(guān)系曲線
圖3  LT3434效率與負(fù)載電流的關(guān)系曲線
LT3434采用了一個高效3A、0.1Ω開關(guān)，并將必需的振蕩器、控制和邏輯電路集成在了單塊硅片中。特殊的設(shè)計技術(shù)以及一種新型高電壓工藝的運用實現(xiàn)了寬輸入電壓范圍內(nèi)的高效率，而其電流模式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則實現(xiàn)了快速瞬態(tài)響應(yīng)和極佳的環(huán)路穩(wěn)定性。另外，還在一個很寬的輸出電流范圍內(nèi)對效率進行了優(yōu)化，采取的方法是在低電流條件下運用突發(fā)模式操作、利用輸出來給內(nèi)部電路施加偏壓以及采用一個電源升壓電容器來使電源開關(guān)完全飽和。

LED照明
白熾燈泡是最為經(jīng)濟的光源，因此仍然是最常用的標(biāo)準(zhǔn)照明源。然而，隨著可用照明空間的日益減小以及對照明光源使用壽命、燈光色彩和設(shè)計的要求的不斷提高，人們越來越希望采用LED。即使是傳統(tǒng)的CCFL TFT-LCD背光源應(yīng)用也正在逐漸被白光LED陣列所取代。汽車前燈是唯一的例外。在可以預(yù)見的將來，汽車前燈將采用鹵素/氙燈絲設(shè)計，但其余的許多車身內(nèi)部/外部和背光源應(yīng)用都將逐步過渡為采用LED。LED使用率的不斷攀升有諸多優(yōu)點。首先（也許是最重要的一點），它永遠不需要更換，因為其固態(tài)壽命比汽車的使用壽命還要長。這使得汽車制造商能夠布設(shè)永久性的車艙嵌入式照明光源，而無需留有用于更換燈絲燈泡的通路。LED的其它特點還包括低功耗和極小的安裝空間。圖4示出了一輛現(xiàn)代化轎車中的眾多LED照明應(yīng)用。在汽車內(nèi)部，設(shè)有多個采用了各類LED的標(biāo)準(zhǔn)車內(nèi)照明模塊。有的是單個LED，而其它的應(yīng)用則需要采用一個陣列。另外，在車身外部照明中，LED的使用率也在迅速提高。例如，Audi的2004 A8型車就采用了一個高電流LED（基于Luxeon）用于驅(qū)動照明燈。同樣，即使在最普通的轎車或摩托車上，配備用于剎車/轉(zhuǎn)向信號照明裝置的彩色LED陣列也是司空見慣。
圖4  LED照明在現(xiàn)代化汽車中的典型應(yīng)用

用于導(dǎo)航顯示器的LCD TFT背光照明
過去，汽車上的大屏幕（對角線尺寸為6_9英寸）TFT-LED都是采用CCFL（冷陰極熒光燈）來進行背光照明的。采用CCFL會帶來諸多問題。首先，驅(qū)動CCFL所需的高電壓電源不僅體積龐大，而且相當(dāng)復(fù)雜。其次，CCFL燈泡本身的體積也比較大，且易發(fā)生故障。由于它位于照明裝置之內(nèi)并嵌入在導(dǎo)航系統(tǒng)之中，所以一旦CCFL發(fā)生故障往往需要更換整個昂貴的照明裝置。
與之相反，白光LED陣列則是一種結(jié)構(gòu)更加緊湊、可靠性更高的背光照明解決方案。由于功率調(diào)理電路較為簡單而緊湊，因此外形尺寸較小。LED及其電源的固態(tài)特性將令其使用期限輕松超越車輛的壽命。應(yīng)該注意到這種背光照明方案所具有的極高效率（高達83%）將降低對散熱的要求，這一點也是很重要的。
凌特推出的LT3466是一款雙信道全功能升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，專為以一個恒定的電流來驅(qū)動多達50個白光LED（每個轉(zhuǎn)換器最多可以驅(qū)動25個串聯(lián)的LED）而設(shè)計。采用LED串聯(lián)的方式能夠提供相等的LED電流，從而獲得均勻的亮度，并且免除了增設(shè)鎮(zhèn)流電阻器以及進行代價高昂的出廠校準(zhǔn)之需。兩個獨立的轉(zhuǎn)換器能夠驅(qū)動不對稱的LED串。兩個LED串的調(diào)光控制也可單獨進行。LT3466是為汽車應(yīng)用中的遠程信息處理/導(dǎo)航顯示器提供背光照明的理想選擇。
可以利用一個外部電阻器將LT3466的工作頻率設(shè)定在200kHz至2MHz的范圍之內(nèi)，設(shè)計師因而能夠使開關(guān)噪聲遠離關(guān)鍵AM頻段。其它功能還包括LED斷接時的輸出電壓限制以及內(nèi)部軟起動。

結(jié)語
    當(dāng)今/未來汽車中專用性極強的電子子系統(tǒng)的快速增長以及LED照明的采用產(chǎn)生了對汽車應(yīng)用中電源IC的苛刻性能要求。視電源在汽車電源總線上運作位置的不同，它們有可能承受負(fù)載突降和冷車發(fā)動條件。LED驅(qū)動器需要提供一個恒定的電流源，以便維持均勻的亮度（這與輸入電壓或LED正向電壓變化無關(guān)），并實現(xiàn)最高的工作效率。這兩種應(yīng)用均要求其各自的DC/DC轉(zhuǎn)換器提供占位面積非常緊湊、且散熱效率很高的解決方案。面對這些汽車設(shè)計挑戰(zhàn)，凌特迎難而上，開發(fā)出了一個旨在滿足上述苛刻要求的完整電源管理產(chǎn)品系列，這樣，系統(tǒng)電源設(shè)計師在選擇其功率轉(zhuǎn)換解決方案時就能夠輕松地做出決定。