引言

“在全球各種立法持續(xù)不斷地推動著下一代汽車技術(shù)的發(fā)展，將進一步強化車輛的排放控制和安全性。業(yè)界的競爭和消費者的預期正在導致汽車連接能力的提升，可連接至云和個人便攜式設備。因此，對于促成型半導體器件的需求預計在未來 7 年中將達到 5% 的年平均復合增長率 (CAAGR)，到 2021 年，總的市場規(guī)模將超過 410 億美元，而 2013 年時則為 275 億美元。美國市場研究公司 Strategy Analytics 的分析也與此一致，認為市場對于微控制器和功率半導體元件的需求將占到銷售收入的 40% 以上。”[資料來源：Strategy Analytics 公司 2014 年 5 月發(fā)布]

Strategy Analytics 對于汽車和商用車輛中電子產(chǎn)品所占比重的增長預測給出了非常定量的描述，但更加重要的是其闡述了電源 IC 在此增長過程中所起的關(guān)鍵性作用。這些新型電源 IC 設計必須提供：

1)盡可能高的效率以最大限度地緩解熱問題并優(yōu)化電池運行時間

2)采用多種電池輸入電壓工作的能力;單節(jié) (汽車) 和雙節(jié) (商用車輛) 鉛酸電池應用能夠適應很寬的瞬態(tài)電壓擺幅

3)超低的靜態(tài)電流，以使安全、環(huán)境控制和信息娛樂系統(tǒng)等“始終保持接通”系統(tǒng)能夠在汽車引擎 (交流發(fā)電機) 不運轉(zhuǎn)的情況下保持工作狀態(tài)而不消耗車載電池的電能

4)2MHz 或更高的開關(guān)頻率，以避免開關(guān)噪聲進入 AM 無線電頻段并保持非常小的解決方案占板面積

5)盡可能低的 EMI/EMC 輻射，以減輕電子系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲干擾問題

提高電源 IC 性能水平的目標是設計日益復雜且數(shù)量龐大的車用電子系統(tǒng)，以最大限度地提高舒適性、安全性和性能，同時最大限度地減少有害排放。推動車載電子產(chǎn)品成長的具體應用見諸于車輛的各個方面。例如：包括車道監(jiān)視、自適應安全控制和自動轉(zhuǎn)向、調(diào)光車前燈和信息娛樂系統(tǒng) (遠程信息處理) 在內(nèi)的新型安全系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展并在相同的空間里“塞”進了更多的功能，而且還必須支持數(shù)量不斷增加的云應用。高級引擎管理系統(tǒng)實現(xiàn)了停止-啟動系統(tǒng)以及電子負載變速器和引擎控制。傳動系統(tǒng)和底盤管理旨在同時改善性能、安全性和舒適度。幾年前這些系統(tǒng)還僅見于“高檔”豪華型車輛，但是如今每家制造商的汽車通常都配備了此類系統(tǒng)，因而促使汽車電源 IC 以更高的速率增長。

車載電子系統(tǒng)成長的主要推動力之一是許多可改善車輛性能、舒適性和安全性的復雜電子系統(tǒng)的普及。不過，很多此類系統(tǒng)也是專為在眾多商用車輛 (包括貨車、公共汽車、鏟車等等) 中使用而設計的。這些應用一般采用雙電池。但是許多汽車系統(tǒng)設計人員都希望能夠利用相同的設計來應對采用單節(jié)電池的汽車和采用雙節(jié)電池的商用車輛，因而需要一款可適應這兩種配置的電源 IC。

通過采用兩個串聯(lián)的鉛酸電池，標稱電池電壓增加至 24V，這就要求在拋負載期間提供至 60V 的瞬態(tài)保護，相比之下，采用 12V 標稱電池電壓的汽車其拋負載要求則為 36V。與此相反，采用單節(jié)電池的汽車應用要求電源 IC 能在輸入低至 3.5V 的情況下運作，以適應冷車發(fā)動和車輛停-啟時的低起動電壓。在雙節(jié)電池應用中，這種低輸入要求極大地放寬了，只需要滿足 7V (電池電壓) 的最小值。在圖 1 中，可以看到當采用單節(jié)鉛酸電池時冷車發(fā)動 / 車輛停-啟和拋負載期間的寬暫態(tài)電壓擺幅。雙節(jié)電池應用雖然看起來與之相似，但拋負載期間的最大電壓通常為 60V，而冷車發(fā)動 / 車輛停-啟過程中的最小電壓為 7V。

圖 1：36V 拋負載瞬變和 4V 冷車發(fā)動場合中的 LT8620

高效運作

在汽車應用中，電源管理 IC 的高效運作是最重要的，原因有二。首先，電源轉(zhuǎn)換的效率越高，以熱量的形式浪費掉的電能就越少。由于熱量是所有電子系統(tǒng)實現(xiàn)長期可靠性的大敵，因此必須對其實施有效的管控，這一般需要采用散熱器來提供冷卻作用，從而增加了解決方案的復雜性、尺寸和成本。其次，混合動力汽車或電動汽車 (EV) 中的任何電能損耗都將直接導致車輛可行駛里程的縮短。直到最近，高電壓單片式電源管理 IC 與高效率同步整流設計之間一直是互相排斥的，因為所需的 IC 工藝不能同時支持這兩個目標。傳統(tǒng)上，極高效率的解決方案是高電壓控制器，其采用外部 MOSFET 以進行同步整流。然而，與單片式可替代方案相比，此類配置對于 15W 以下的應用顯得相對復雜和龐大笨重。幸運的是，目前市場上已經(jīng)有了能夠提供高電壓 (至 65V) 和高效率以及內(nèi)部同步整流功能的新型電源管理 IC。

“始終保持接通”系統(tǒng)需要超低電源電流

許多電子子系統(tǒng)必需在“待機”或“�；�”模式中運作，當處于該狀態(tài)時其在一個穩(wěn)定的電壓下吸收極小的靜態(tài)電流。這些電路可見于大多數(shù)導航、安全、防護和引擎管理電子電源系統(tǒng)。此類子系統(tǒng)都會采用多個微處理器和微控制器。大多數(shù)豪華型轎車均安裝了超過 150 個這類 DSP，而其中的大約 20% 需要執(zhí)行“始終保持接通”的操作。在這些系統(tǒng)中，電源轉(zhuǎn)換 IC 必須工作于兩種不同的模式。首先，當汽車在行駛時，負責為這些 DSP 供電的電源轉(zhuǎn)換電路通常將以滿電流 (由電池和充電系統(tǒng)饋送) 運作。然而，當汽車點火裝置關(guān)閉時，這些系統(tǒng)中的微處理器必須保持運行，并要求其電源 IC 在從電池吸收極小電流的同時提供一個恒定的電壓。由于可能會有 30 多個“始終保持接通”的此類處理器一起工作，因此即使當點火裝置關(guān)閉時電池所承受的電能需求量也是很大。為這些“始終保持接通”的處理器供電所需的總電源電流可達幾百毫安 (mA)，這有可能在數(shù)日之內(nèi)徹底耗盡電池的電量。比如：如果一輛汽車的高電壓降壓型轉(zhuǎn)換器各需 2mA 的電源電流，那么把來自安全系統(tǒng)、GPS 系統(tǒng)和遙控門鎖系統(tǒng)的 30 個這樣的轉(zhuǎn)換器與其他必須始終保持接通的系統(tǒng) (如 ABS 剎車) 以及源于電動車窗的漏電流加起來，就有可能在三周的漫長商務旅行之后耗盡電池的電能，從而使之無法發(fā)動引擎。因此，必需大幅度地減小這些電源的靜態(tài)電流以延長電池壽命，并且不增加電子系統(tǒng)的尺寸或復雜性。就 DC/DC 轉(zhuǎn)換器而言，對于高輸入電壓能力和低靜態(tài)電流的要求直到最近還是互相排斥的參數(shù)。為了更好地管理這些要求，幾家汽車制造商在 10 年前為每個“始終保持接通”的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設立了一個 <100μA 的低靜態(tài)電流目標，但是如今的優(yōu)選指標則是低于 10μA。很幸運，新一代的電源 IC 已經(jīng)推出，其提供的靜態(tài)電流低于 3μA。