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(shí)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(jì)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(dǎo)體器件以每年 5% 的平均年復(fù)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(dǎo)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(yù)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(jì)必須具備以下特點(diǎn)：

1) 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)

2) 具超低電磁干擾 (EMI) 輻射

3) 提供最高效率以最大限度減少過熱問題和優(yōu)化電池運(yùn)行時(shí)間

4) 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(shí)保持解決方案占板面積非常小

5) 具超低靜態(tài)電流 (<10µA) 以實(shí)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(jī)) 不運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下保持工作狀態(tài)，同時(shí)不會(huì)消耗汽車的電池電量

提高電源 IC 性能的目的是，實(shí)現(xiàn)日益復(fù)雜和大量的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在汽車的每一個(gè)方面都能看到驅(qū)動(dòng)這種增長的應(yīng)用。例如，新型安全行車系統(tǒng)，這包括車道監(jiān)視、自適應(yīng)安全行車控制、自動(dòng)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(gè)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(yīng)用。先進(jìn)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(shí)提高性能、行車安全和舒適度的傳動(dòng)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(gè)制造商的汽車中都屬于常見系統(tǒng)，這進(jìn)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(shí)交流發(fā)電機(jī)充電)。此外，在各種臨時(shí)條件下，鉛酸電池電壓受多種變化影響。冷車發(fā)動(dòng)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(dá) 36V。因此，電源 IC 必須能夠在多種輸入電壓變化情況下準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)輸出。在冷車發(fā)動(dòng) / 停-啟和拋載時(shí)，單節(jié)鉛酸電池的寬臨時(shí)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(shí)準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)了 3.3V 輸出。

圖 2：在 36V 負(fù)載突降瞬態(tài)和 4V 冷車發(fā)動(dòng)情況下 LT8640 的表現(xiàn)

低 EMI 工作

因?yàn)槠�車電氣環(huán)境有固有噪聲，而很多應(yīng)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(gè)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(huì)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(wù)。過去采用的解決方案是，使用一個(gè) 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(shí)使熱量管理、測試和制造更加復(fù)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(shí)間，影響了 IC 在 2MHz 或更高開關(guān)頻率時(shí)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(gè)可行的解決方案。幸運(yùn)的是，市場上已經(jīng)推出了一些獨(dú)特的電源 IC 設(shè)計(jì)，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)頻率、非常高的效率和很短的最短接通時(shí)間。這些設(shè)計(jì)一般具備低 20dB 以上的 EMI 輻射，同時(shí)提供 2MHz 開關(guān)頻率和 95% 的效率。有些還提供擴(kuò)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(shí)現(xiàn)，從而在開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重要突破。

高效率工作

汽車應(yīng)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(fèi)的能量就越少。因?yàn)闊崃渴侨魏坞娮酉到y(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(shí)現(xiàn)冷卻，從而增大了整體解決方案的復(fù)雜性、尺寸和成本。其次，在混合動(dòng)力或電動(dòng)汽車中，浪費(fèi)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(jì)還是相互排斥的，因?yàn)樗�需要�?IC 工藝不能同時(shí)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(shí)現(xiàn)同步整流。然而，與單片解決方案相比，對低于 25W 的應(yīng)用而言，這樣的配置相對復(fù)雜和笨重。幸運(yùn)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(shí)提供高壓和高效率的新型電源管理 IC。