汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的功耗問題研究

　　現(xiàn)在，汽車制造商正不斷地把越來越復(fù)雜的電子系統(tǒng)整合到汽車?yán)?。Allied Business Intelligence公司預(yù)測(cè)，汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)的年銷售額將從去年的123億美元上升到2007年的170億美元。另一家公司的戰(zhàn)略分析員也提出同樣的觀點(diǎn)：對(duì)于現(xiàn)在一部普通的汽車來說，電子系統(tǒng)的成本將占整部汽車的20%以上，但是，到2008年，這個(gè)比重將提高到30%。典型的車載電子系統(tǒng)包括：防撞擊雷達(dá)、自適應(yīng)巡航控制、輪胎氣壓監(jiān)測(cè)、導(dǎo)航系統(tǒng)、免提式蜂窩電話和其他的無(wú)線連接，以及利用生物特征參數(shù)的接入。

　　一個(gè)顯著的增長(zhǎng)體現(xiàn)在DVD/HDD 導(dǎo)航系統(tǒng)上。第一部DVD/HDD導(dǎo)航系統(tǒng)是在1997年問世的，今年這類系統(tǒng)在全球的銷量預(yù)計(jì)將超過1,300萬(wàn)臺(tái)。對(duì)于任何類型的電子產(chǎn)品而言，汽車的環(huán)境仍然是非常苛刻的。要求較大的工作電壓范圍，加上很高的瞬變電壓，溫度變化范圍很大，這些問題合在一起，對(duì)電子系統(tǒng)提出了巨大的挑戰(zhàn)。此外，對(duì)電子系統(tǒng)性能的要求也越來越高，而且，還需要能夠?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)的各個(gè)不同部件提供不同的電壓。

　　現(xiàn)在所生產(chǎn)的大多數(shù)汽車中、高檔汽車都把DVD全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)作為汽車?yán)锏囊粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。然而，要在這樣的系統(tǒng)里設(shè)計(jì)一個(gè)能夠滿足所有不同電壓要求的電源，其復(fù)雜程度和設(shè)計(jì)一個(gè)筆記本電腦的電源不相上下。一個(gè)典型的導(dǎo)航系統(tǒng)至少需要六種電壓：8V、5V、3.3V、2.5V、1.5V和1.2V。8V電壓是用來給DVD馬達(dá)供電的，它用于帶動(dòng)光盤旋轉(zhuǎn)，在通常情況下，需要高達(dá)2A的峰值電流。5V和3.3V電壓一般是供給系統(tǒng)總線的，它們都需要2A至 3A的電流。1.5V和1.2V電壓分別是CPU內(nèi)核和DSP內(nèi)核的供電電壓，這兩路電壓的功率一般在3W到5W之間。

　　同時(shí)，元器件的數(shù)量卻在不斷地增加，而可用的空間卻越來越小。由于實(shí)際需要發(fā)散的熱量太大了，很難把熱量散發(fā)出去。因?yàn)榭臻g受到限制，而且要求工作溫度在一定范圍內(nèi)，所以，轉(zhuǎn)換效率也就變得越來越重要。當(dāng)輸出電壓很低而電流適中（約在幾百毫安培以上）時(shí)，就無(wú)法簡(jiǎn)單地用一個(gè)線性穩(wěn)壓器來產(chǎn)生這些系統(tǒng)所需要的電壓。于是，在過去的幾年里，主要是因?yàn)樵跓崃糠矫娴南拗?，開關(guān)穩(wěn)壓器正漸漸地取代了線性穩(wěn)壓器。開關(guān)穩(wěn)壓器的好處是：效率較高，尺寸較小，這些好處超過了它的復(fù)雜性和電磁干擾的問題。

　　對(duì)于計(jì)劃在汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中使用的開關(guān)穩(wěn)壓器來說，由于考慮到存在上述這些限制，那么，它就必須具備以下這些功能和特點(diǎn)：

● 輸入工作電壓范圍寬；
● 在整個(gè)較寬的負(fù)載范圍內(nèi)的效率高；
● 在正常的工作模式、待機(jī)模式和關(guān)機(jī)模式下，靜態(tài)電流都必須很低；
● 熱阻小；
● 噪聲和電磁干擾都很小。

　　輸入電壓工作范圍寬。任何開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入電壓范圍都必須在3V至60V之間，只有這樣，才能滿足“冷啟動(dòng)”和“大負(fù)載”的要求。它還具有別的好處，即汽車系統(tǒng)既可以在14V的電壓下運(yùn)行，也可以在42V的電壓下運(yùn)行。此外，使用60V的額定電壓的另一個(gè)好處是這樣能夠給14V系統(tǒng)留出一個(gè)空間，從而可以把電壓控制在36V到40V這個(gè)范圍內(nèi)。再者，有了這個(gè)60V的額定電壓，這個(gè)設(shè)備將來也就可以用于新的42V系統(tǒng)。也就是說，一個(gè)14V系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以很容易地升級(jí)到42V系統(tǒng)，不必重新做很多設(shè)計(jì)。

　　效率。對(duì)于大多數(shù)汽車系統(tǒng)而言，在一個(gè)較寬的負(fù)載范圍內(nèi)保持較高的功率轉(zhuǎn)換效率是很重要的。例如，對(duì)于輸出電壓為5V、負(fù)載在10mA到2.5A之間的應(yīng)用來說，功率轉(zhuǎn)換效率預(yù)計(jì)為85%。當(dāng)電流很大時(shí)，內(nèi)部開關(guān)必須完全飽和，在一般情況下，在電流為3A時(shí)，功耗為0.1W。為了提高輕載效率，可以降低驅(qū)動(dòng)電流，或者讓驅(qū)動(dòng)電流與負(fù)載電流成比例。此外，還可以通過一個(gè)偏置引腳給內(nèi)部控制電路供電，這個(gè)引腳可以用輸出電壓來供電。這利用了降壓轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)。偏置電流是由輸出而不是由輸入得到的，因此控制電路從供電電源吸收的電流就減少了，減少的倍數(shù)是輸入電壓與輸出電壓的比值。對(duì)輸入電流源的要求。例如，當(dāng)輸出電壓為3.3V，輸出電流為100礎(chǔ)，這時(shí)需要從12Ｖ電壓提供的平均輸入電流是30礎(chǔ)。這樣減少了控制電路所需要的電流，從而提高了輕載時(shí)的效率。

　　靜態(tài)電流小。汽車系統(tǒng)里的許多產(chǎn)品即使在汽車停止不動(dòng)的時(shí)候也需要源源不斷地供給電力。對(duì)于這些產(chǎn)品來說，一個(gè)重要的指標(biāo)是靜態(tài)電流要小。如果輸出電流不低于100mA，那么，這個(gè)設(shè)備就一直在正常的開關(guān)模式下運(yùn)作。當(dāng)電流低于100mA時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器必須跳過一些脈沖，維持穩(wěn)壓作用。在兩個(gè)脈沖之間穩(wěn)壓器可以進(jìn)入深度休眠模式，在這個(gè)模式下，只對(duì)內(nèi)部的一部分電路供電。在負(fù)載電流很小時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器要自動(dòng)地切換到猝發(fā)模式。在這個(gè)模式下，12V至 3.3V的轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)電流會(huì)下降到100礎(chǔ)以下。在休眠模式下，內(nèi)部參考電壓和電源正常指示電路仍然工作，以監(jiān)視輸出電壓。在關(guān)機(jī)狀態(tài)下，靜態(tài)電流應(yīng)低于1礎(chǔ)。
 　　熱阻小。在理想狀態(tài)下，半導(dǎo)體結(jié)到外殼的熱阻應(yīng)該很小。如果器件背面的銅是裸露的，而且是焊接在印刷電路板的表面，那么，就可以通過這個(gè)印刷電路板把這個(gè)器件上的熱量散發(fā)出去。如今經(jīng)常使用的四層電路板，中間有一層是功率層，它的熱阻在40℃/W的范圍內(nèi)。對(duì)于在周圍溫度較高的環(huán)境中使用的產(chǎn)品，它們熱量傳給金屬外殼的導(dǎo)熱性能很好，熱阻接近半導(dǎo)體結(jié)至外殼的熱阻，通常是10℃/W，從而擴(kuò)大了有效工作溫度的范圍。

　　噪聲和電磁干擾問題。開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪音比線性穩(wěn)壓器的大，但是，它們的效率高很多。在許多容易受噪音影響的產(chǎn)品中，只要開關(guān)電源的性能是可以預(yù)先知道的，那么，噪聲和電磁干擾的大小是可以控制的。如果開關(guān)穩(wěn)壓器在正常模式下開關(guān)頻率是固定的，在開和關(guān)時(shí)上升沿和下降沿也很干凈并且可以預(yù)測(cè)，不存在過沖或者高頻衰減振蕩，因而降低電磁干擾。它的封裝尺寸小，工作頻率高，可以把電路布置得很緊湊，很小，從而降低了電磁干擾輻射。此外，如果這個(gè)穩(wěn)壓器可以使用等效串聯(lián)電阻很小的陶瓷電容器，那么，就能夠降低輸入電壓紋波和輸出電壓紋波，這是系統(tǒng)里的另一個(gè)噪聲源。

　　顯然，設(shè)計(jì)和開發(fā)這類開關(guān)穩(wěn)壓器并不是件簡(jiǎn)單的事情。然而，最新的一個(gè)高壓直流-直流轉(zhuǎn)換器的例子是電壓可以達(dá)到60V的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器單片集成電路。它的輸入電壓范圍為3.3V至60V（圖1），當(dāng)負(fù)載電流高達(dá)2.5A時(shí)，效率很高。在所有的輸入電壓、負(fù)載和溫度條件下，參考電壓的精度為±2%。

　　在猝發(fā)模式下，它的靜態(tài)電流低于100礎(chǔ)，適合輸入電壓為12V至3.3V的產(chǎn)品。這個(gè)器件采用厚度很薄的TSSOP封裝，熱阻非常小，適合尺寸很小的設(shè)計(jì)。最后，它使用了電流模式電路，具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)，容易補(bǔ)償，并且使用一種擁有專利權(quán)的電路，在占空比為任何數(shù)值時(shí)保持開關(guān)中的峰值電流恒定。它的開關(guān)頻率是固定的200kHz，此外，這個(gè)產(chǎn)品可以同更高的頻率同步。在整個(gè)汽車的溫度范圍內(nèi)，它的穩(wěn)壓性能很好，并且提供電源正常信號(hào)/復(fù)位、軟啟動(dòng)和 UVLO功能。這個(gè)電路是一個(gè)可靠的、高效率的降壓轉(zhuǎn)換器解決辦法，電流高達(dá) 2.5A，尺寸很小，適合汽車使用。

　　盡管汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，而且需要高性能的模擬直流-直流轉(zhuǎn)換器，但是，不必為此而擔(dān)心。供應(yīng)商正在推出一種“新一波”穩(wěn)壓器浪潮，它結(jié)合了大量必不可少的功能，把系統(tǒng)工程師從繁重的電源設(shè)計(jì)工作中解放出來。