| 引言
由于汽車中持續(xù)增加電子系統(tǒng)以提高安全性、舒適性、效率和性能，同時最大限度減少有害尾氣排放，所以汽車需要物理尺寸更小、功率大得多的電源解決方案就不足為奇了。另外，隨著汽車中 EMI 敏感系統(tǒng)的激增，降低開關(guān)電源的 EMI 是至關(guān)重要，所以這給開關(guān)穩(wěn)壓器 IC 設(shè)計帶來了更多挑戰(zhàn)。Strategy Analytics 公司研究指出：“未來 7 年，這需求將使半導體器件以每年 5% 的平均年復合增長率 (CAAGR) 增長，到 2021 年，總體市場規(guī)模將超過 410 億美元，而 2014 年這一數(shù)字為 289 億美元。”該公司分析發(fā)現(xiàn)，超過 40% 的收入將來自對微控制器和電源半導體器件的需求。
Strategy Analytics 對汽車中電子系統(tǒng)的增長提供了非常量化的預測，不過更有趣的是，在這種增長中，電源 IC 發(fā)揮了普遍的作用。這類新型電源 IC 設(shè)計必須具備以下特點：
- 在很寬的電壓范圍內(nèi)提供可靠的性能，包括處理超過 36V 的瞬態(tài)
- 具超低電磁干擾 (EMI) 輻射
- 提供最高效率以最大限度減少過熱問題和優(yōu)化電池運行時間
- 解決方案占板面積最小，需要非常大的功率密度以及 2MHz 或更高的開關(guān)頻率，以保持開關(guān)噪聲落在 AM 無線電頻段以外，同時保持解決方案占板面積非常小
- 具超低靜態(tài)電流 (<10µA) 以實現(xiàn)始終保持接通系統(tǒng) (例如安保、環(huán)境控制和信息娛樂系統(tǒng)) 在引擎 (交流發(fā)電機) 不運轉(zhuǎn)的情況下保持工作狀態(tài)，同時不會消耗汽車的電池電量
提高電源 IC 性能的目的是，實現(xiàn)日益復雜和大量的電子系統(tǒng)設(shè)計。在汽車的每一個方面都能看到驅(qū)動這種增長的應用。例如，新型安全行車系統(tǒng)，這包括車道監(jiān)視、自適應安全行車控制、自動轉(zhuǎn)向和前燈調(diào)光。信息娛樂系統(tǒng) (車載多媒體系統(tǒng)) 也在持續(xù)演變，在一個已經(jīng)很擁擠的空間中容納了越來越多的功能，該系統(tǒng)還必須支持日益增加的云應用。先進的引擎管理系統(tǒng)具備停 / 啟系統(tǒng)和大量采用電子產(chǎn)品的變速器和引擎控制系統(tǒng)，還有旨在同時提高性能、行車安全和舒適度的傳動系統(tǒng)以及底盤管理系統(tǒng)。10 年前，這些系統(tǒng)僅出現(xiàn)在高端豪華型汽車中，但是今天在每個制造商的汽車中都屬于常見系統(tǒng)，這進一步加速了汽車電源 IC 的增長。以下圖 1 顯示了今天的汽車中通常能夠見到的大量電子系統(tǒng)。
圖 1：汽車中的電子系統(tǒng)在激增
汽車系統(tǒng)中的瞬態(tài)
盡管汽車中的電池總線電壓通常為 12V (在 9V 至 16V 之間變化，取決于何時交流發(fā)電機充電)。此外，在各種臨時條件下，鉛酸電池電壓受多種變化影響。冷車發(fā)動和停-啟情況可能將電池電壓拉低至 3.5V，而拋載可能使電池總線電壓高達 36V。因此，電源 IC 必須能夠在多種輸入電壓變化情況下準確地調(diào)節(jié)輸出。在冷車發(fā)動 / 停-啟和拋載時，單節(jié)鉛酸電池的寬臨時電壓擺幅如圖 2 所示。請注意，合適的電源 IC (這里是 LT8640) 在出現(xiàn)上述情況時準確地調(diào)節(jié)了 3.3V 輸出。
圖 2：在 36V 負載突降瞬態(tài)和 4V 冷車發(fā)動情況下 LT8640 的表現(xiàn)
低 EMI 工作
因為汽車電氣環(huán)境有固有噪聲，而很多應用對電磁干擾 (EMI) 是敏感的，所以迫在眉睫的是，開關(guān)穩(wěn)壓器不能加重 EMI 問題。由于一般情況下，開關(guān)穩(wěn)壓器是輸入電源總線上的第一個有源組件，所以無論下游轉(zhuǎn)換器性能如何，開關(guān)穩(wěn)壓器都會對總體轉(zhuǎn)換器 EMI 性能產(chǎn)生顯著影響。因此最大限度降低 EMI 是非常緊迫的任務。過去采用的解決方案是，使用一個 EMI 屏蔽盒，但是這極大地增大了解決方案的成本和尺寸，同時使熱量管理、測試和制造更加復雜。電源管理 IC 內(nèi)部可以采取的另一種解決方案是降低內(nèi)部 MOSFET 開關(guān)邊沿的速率。不過，這產(chǎn)生了不良的影響，降低了效率并延長了最短接通時間，影響了 IC 在 2MHz 或更高開關(guān)頻率時提供低占空比的能力。由于人們希望擁有高效率和小尺寸解決方案，所以這不是一個可行的解決方案。幸運的是，市場上已經(jīng)推出了一些獨特的電源 IC 設(shè)計，以同時實現(xiàn)快速開關(guān)頻率、非常高的效率和很短的最短接通時間。這些設(shè)計一般具備低 20dB 以上的 EMI 輻射，同時提供 2MHz 開關(guān)頻率和 95% 的效率。有些還提供擴展頻譜功能，這可以將 EMI 輻射再降低 10dB。這樣的性能無需額外增加組件或屏蔽就可以實現(xiàn)，從而在開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重要突破。
高效率工作
汽車應用中電源管理 IC 高效率工作很重要，原因有二。首先，電源轉(zhuǎn)換效率越高，以熱量形式浪費的能量就越少。因為熱量是任何電子系統(tǒng)長期可靠性的敵人，所以必須有效管理熱量，這一般需要用散熱器實現(xiàn)冷卻，從而增大了整體解決方案的復雜性、尺寸和成本。其次，在混合動力或電動汽車中，浪費的任何電能都將直接減少其行駛里程。直到最近，高壓單片電源管理 IC 和高效率同步整流設(shè)計還是相互排斥的，因為所需要的 IC 工藝不能同時支持這兩種要求。過去，最高效率的解決方案是高壓控制器，這類控制器采用外部 MOSFET 實現(xiàn)同步整流。然而，與單片解決方案相比，對低于 25W 的應用而言，這樣的配置相對復雜和笨重。幸運的是，現(xiàn)在市場上已經(jīng)出現(xiàn)了可通過內(nèi)部同步整流同時提供高壓和高效率的新型電源管理 IC。
更小的電源轉(zhuǎn)換電路
有幾種方式可減小電源轉(zhuǎn)換電路。一般而言，電路中最大的組件不是電源 IC，而是外部電感器和電容器。通過將 IC 的開關(guān)頻率從 400kHz 提高到 2MHz，這些外部組件的尺寸可以大大減小 (解決方案占板面積可以減小 4 倍)。但是為了有效做到這一點，電源 IC 必須在較高頻率時提供高效率，這在以前一直是不可行的。不過，通過采用新的工藝和設(shè)計方法，已經(jīng)開發(fā)出提供 95% 以上效率同時以 2MHz 切換的同步電源 IC。高效率工作最大限度降低了功耗，消除了對散熱器的需求。高效率工作還增加了可保持開關(guān)噪聲處于 AM 頻段以外的好處。
“始終保持接通”系統(tǒng)需要超低電源電流
很多電子子系統(tǒng)都需要在 “待機” 或 “保活” 模式工作，處于這種狀態(tài)時以穩(wěn)定電壓吸取最低限度的靜態(tài)電流。在大多數(shù)導航、行車安全、安保以及引擎管理電子電源系統(tǒng)中都能看到這類電路。此外，這類子系統(tǒng)每個都可能含有幾個微處理器和微控制器。大多數(shù)豪華型汽車都內(nèi)置超過 150 個這類 DSP，其中大約 20% 需要始終保持接通工作。在這類系統(tǒng)中，電源轉(zhuǎn)換 IC 必須以兩種不同的模式工作。首先，當汽車處于運行時，為這些 DSP 供電的電源轉(zhuǎn)換電路一般會以電池和充電系統(tǒng)饋送的滿電流工作。不過，當汽車點火系統(tǒng)關(guān)閉時，這些系統(tǒng)中的微處理器必須 “始終保持接通”，從而要求其電源 IC 提供恒定電壓，同時從電池吸取最低限度的電流。既然可能有超過 30 個這類始終保持接通的處理器同時工作，那么，即使當點火系統(tǒng)關(guān)閉時，對電池也有相當大的功率需求。總體而言，可能需要數(shù)百毫安電源電流為這些始終保持接通的處理器供電，這有可能在幾天時間內(nèi)徹底耗盡一個電池的電量。
因此，這些電源 IC 的靜態(tài)電流需要大幅降低以延長電池壽命，且不增加電子系統(tǒng)的尺寸或復雜性。直到最近，對于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器而言，高輸入電壓和低靜態(tài)電流要求還是相互排斥的參數(shù)。大約 10 年前，幾家汽車制造商為始終接通的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器確定了一個 <100µA 的低靜態(tài)電流目標，但是今天，低于 10µA 已成為首選。幸運的是，現(xiàn)在已有新一代電源 IC 可用，這些 IC 在備用模式提供低于 2.5µA 靜態(tài)電流。
新型解決方案
直到現(xiàn)在，仍然沒辦法確保通過選擇電源 IC 使 EMI 得到抑制，并滿足效率要求。不過 LT8640 Silent Switcher® 穩(wěn)壓器使得這么做成為可能。LT8640 是 Silent Switcher 高壓同步降壓型穩(wěn)壓器系列的第二款器件。該器件是一款 5A (連續(xù)電流，峰值電流 7A)、42V 輸入同步降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器。正如在圖 3 中可以看到的那樣，在沒有啟動擴展頻譜功能時，EMI 輻射比汽車 CISPER 25 Class 5 峰值限制值低 10dB 至 30dB。在最關(guān)鍵的汽車頻段，擴展頻譜將這些輻射值再降低 5dB 至 10dB。與現(xiàn)有最新開關(guān)穩(wěn)壓器相比，EMI 輻射合起來可降低超過 25dB。下圖中 LT8640 以 2MHz 頻率切換，負載電流為 4A，無需外部 EMI 屏蔽。
圖 3：有 / 沒有擴展頻譜時 LT8640 的EMI 輻射性能 (fSW=2MHz，ILOAD=4A)
圖 4 所示為 LT8640 的原理圖。同步整流無需任何外部二極管，從而提高了效率，同時減小了解決方案占板面積。這個原理圖電路采用 3.3µH 電感器，以 1MHz 開關(guān)頻率切換，提供 96% 的效率。不過，正如在圖 5 中所能看到的那樣，以 2MHz 頻率運行 LT8640 避開了與 AM 無線電頻段有關(guān)的任何干擾問題，且可以使用更小的 2.2µH 電感器，同時仍然提供 95% 的效率。LT8640 運用獨特設(shè)計，最大限度降低了開關(guān)損耗，使該器件能夠以 2MHz 或更高的開關(guān)頻率提供這么高的效率。
圖 4：LT8640 典型汽車應用原理圖，提供 5V 輸出
圖 5：圖 4 電路中的 LT8640 在 1MHz、2MHz 和 3MHz 時的效率曲線
LT8640 的 3.4V 至 42V 輸入電壓范圍使該器件非常適合汽車及工業(yè)應用。內(nèi)部高效率開關(guān)在電壓低至 0.97V 時提供高達 5A 的連續(xù)輸出電流和 7A 峰值負載。其突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作僅消耗 2.5µA 靜態(tài)電流，從而非常適合汽車始終保持接通系統(tǒng)等應用，因為這類系統(tǒng)需要延長電池工作壽命。LT8640 的獨特設(shè)計在所有條件下保持了僅為 100mV (在 1A) 的最小壓差電壓，從而使該器件在汽車冷車發(fā)動等情況下表現(xiàn)出色。此外，短至僅為 40ns 的最短接通時間在 16V 輸入至 1.5V 輸出時實現(xiàn)了 2MHz 恒定頻率切換，從而使設(shè)計師能夠優(yōu)化效率，同時避開關(guān)鍵噪聲敏感頻段。LT8640 的20 引線 3mm x 4mm QFN 封裝和高開關(guān)頻率允許使用很小的外部電感器和電容器，可構(gòu)成占板面積緊湊的高熱效率解決方案。
結(jié)論
汽車中極端復雜的電子系統(tǒng)之迅速增加給電源管理 IC 提出了更高的要求。過去，大負載電流、高開關(guān)頻率和高效率設(shè)計合起來帶來了巨大的 EMI 挑戰(zhàn)。不過，LT8640 的獨特設(shè)計提供了高效率、快速切換，實現(xiàn)了占板面積非常緊湊的解決方案，而且 EMI 輻射超低，從而在電源 IC 領(lǐng)域樹立了全新標準。幸運的是，新一代同步電源 IC 現(xiàn)在已經(jīng)可用，這為未來汽車中增加更多電子系統(tǒng)鋪平了道路。 |
