面向汽車應用的線性調(diào)整器與開關(guān)調(diào)整器的比較

多年來，人們一直預測低壓差線性調(diào)整器(LDO)要退出在汽車領(lǐng)域的應用。但是，LDO調(diào)整器持續(xù)生存著甚至茁壯成長，因為它們的價格便宜且使用方便。本文中，我將闡述LDO調(diào)整器的復雜性，考察市場上的最新進展(確實有一些進展)，并分析隨著汽車電源需求的持續(xù)攀升而向開關(guān)型調(diào)整器轉(zhuǎn)移的趨勢。

新型線性調(diào)整器

線性調(diào)整器有什么新技術(shù)呢？讓我們首先看看輸出電容。目前，陶瓷電容都選擇的是0402封裝，大多數(shù)原因在于所改進的材料已經(jīng)把它們的溫度范圍從125℃(257°F)提高到了150℃(302°F)，所改善的安裝方法減少了熱沖擊并提高了抗振能力。這些電容的小尺寸減少了它們的感性成分，進一步提高了高頻性能。但是，陶瓷電容的關(guān)鍵特性是其低的等效串聯(lián)阻抗或ESR。

基本的閉環(huán)線性調(diào)整器系統(tǒng)由一個誤差放大器、輸出驅(qū)動器和負載組成。圖1到3詳細描述了雙極型線性調(diào)整器的閉環(huán)頻率響應，在保持系統(tǒng)設(shè)置和輸出容值相同的情況下，改變輸出電容的ESR可以看到其影響。具有1歐姆ESR(圖1)的電容為穩(wěn)定的；而具有0.01歐姆非常低 ESR(圖2)的電容就不穩(wěn)定；具有3歐姆較大ESR(圖3)的電容也不穩(wěn)定。

開關(guān)電源設(shè)計中有一條非常實用的經(jīng)驗法則：無論何時閉環(huán)增益大于或等于1，閉環(huán)相位永遠不會落在360度的30度之內(nèi)。

大多數(shù)線性調(diào)整器并未給你提供測量穩(wěn)定性曲線的可接入點。取而代之的是，芯片制造提供一組與輸出電容的ESR數(shù)值相對應的曲線，顯示哪些地方有可能出現(xiàn)穩(wěn)定性問題。圖4所示為輸出電容ESR的不穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定區(qū)的典型差異，它取決于因輸出電流變化引起的輸出調(diào)整器電壓的變化。圖5所示為輸出電容數(shù)值上的不穩(wěn)定和穩(wěn)定區(qū)之間的差異。

負載響應時間通常與IC穩(wěn)定性產(chǎn)品區(qū)域呈相反的規(guī)律變化。環(huán)路響應時間一直被降低以提供更佳的穩(wěn)定性。用一個外部輸出電容可以補償大多數(shù)瞬態(tài)需求。要確保為你的需求提供一個數(shù)值足夠大的電容。要采用常用的電容方程：

來根據(jù)系統(tǒng)負載的大小計算電容數(shù)值、瞬態(tài)時間和系統(tǒng)容許的輸出電壓降。

無論調(diào)整器處于加載或待機狀態(tài)下，靜態(tài)電流都是一個重要的指標。歷史上，靜態(tài)電流不受重視。隨著汽車電子系統(tǒng)的增加，對現(xiàn)有電池和交流發(fā)電機的使用已經(jīng)達到了極限。半導體制造工藝對靜態(tài)電流的大小有一定影響，對于以兩種不同類型制造工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品，我們可以看到典型性能特征所受到的影響。圖6所示為以雙極工藝生產(chǎn)的器件，而圖7所示為以BCD工藝生產(chǎn)的器件。注意以BCD工藝制造的器件所具有的扁平線特性。

采用雙極工藝的器件在高負載上靜態(tài)電流會增加；采用BCD工藝的器件在小負載和大負載時都保持低的靜態(tài)電流。結(jié)果對模塊的靜態(tài)電流限制貢獻較低。

節(jié)省電流

在節(jié)省電流的控制中，你可以使用一種看門狗調(diào)整器(watchdog regulator)。看門狗調(diào)整器利用發(fā)往微處理器的喚醒信號實現(xiàn)節(jié)省電流。當微處理器指令正在開始運作時，一個協(xié)同信號由微處理器發(fā)回到電壓調(diào)整器，向調(diào)整器提示它必須保持調(diào)整。一旦微處理器完成命令和指令，被發(fā)回調(diào)整器的反饋信號被取消?？撮T狗調(diào)整器識別這個事件，并把一個復位信號發(fā)回微處理器，將其關(guān)閉，如圖8所示。最終結(jié)果是節(jié)省電流，直到微處理器需要再次發(fā)出協(xié)同信號。

另一種節(jié)省調(diào)整器IC電流的方法是即刻關(guān)閉不需要工作的電路。只要不是立即要用的調(diào)整器電路，都可以關(guān)閉并工作在脈沖開/關(guān)模式。這種方案對于寒冷或室內(nèi)溫度下的輕負載條件最佳。器件的溫度越高，漏電流就越大，工作就越復雜；環(huán)境溫度的上升或片上電源導致的裸片溫度上升，都會造成器件工作溫度的上升。

為此，越來越多的人選用雙調(diào)整器(在一顆芯片上有兩個獨立的輸出調(diào)整器)。有幾種微處理器現(xiàn)在就需要采用雙電源電壓。一個電源(通常是較低的電壓)為內(nèi)核供電，第二個電源為I/O供電。降低內(nèi)核電壓，就可以把更多的晶體管集成到芯片中，而不會讓器件溫度超過其封裝的限制。

雖然使用雙線性調(diào)整器(它使用更方便、更節(jié)省空間和成本)不節(jié)省靜態(tài)電流，但是，卻對節(jié)省功率和系統(tǒng)中的電源分配有貢獻。節(jié)省電流是因為在雙調(diào)整器內(nèi)采用了共用電路，如帶隙參考電壓和電流源偏置線。

在單芯片上集成多顆調(diào)整器IC，則使用方便、節(jié)省空間和成本，但是，受到IC中容許的功率大小的限制。

改善封裝就容許單個封裝消耗更大的功率。通過采用金屬引線框材料(暴露的焊盤, epad)，可以降低熱阻。與塑料封裝相比，金屬連接的引腳更容易傳導熱耗散。圖9所示為典型的暴露焊盤的封裝。該器件采用的是300mil、16引腳SOW暴露焊盤封裝，epad的面積為150 mil x 184 mil。

使用中超過制造商對器件溫度的限制(節(jié)點溫度通常大約是150℃/302°F)，就可能要么立即損壞調(diào)整器，要么因硅、邦定線和塑料封裝的熱膨脹系數(shù)不同而引發(fā)的應力導致器件過早失效。隨著溫度的上升，故障率呈指數(shù)上升。人們正在研究提高這些電子元件的、可接受的工作溫度的辦法。

開關(guān)調(diào)整器

除了我所描述的、已用過的所有新型線性調(diào)整器，開關(guān)調(diào)整器的用途也呈現(xiàn)增加的趨勢。開關(guān)調(diào)整器比線性調(diào)整器要貴，因為外部元件數(shù)更多。對它們進行診斷也是隱性成本。本質(zhì)上看，開關(guān)調(diào)整器所展示的特性，要具備處理電磁干擾問題能力的工程師才能用好。

毫無疑問，開關(guān)調(diào)整器比LDO的效率更高。如表1所示，開關(guān)調(diào)整器的效率為90%，而LDO的效率為36%。圖10顯示了大塊頭開關(guān)調(diào)整器的典型效率曲線。

線性調(diào)整器的功耗可以簡單地計算為(忽略靜態(tài)電流)負載電流乘以輸入和輸出之間的電壓差。圖11中的例子顯示了調(diào)整器有9V的電壓差，所以計算出的效率為35.7%，它與負載無關(guān)，但是，與輸入電壓有關(guān)，如下一個例子所描述的那樣。

提高線性調(diào)整器效率的唯一辦法是降低其電壓差。你在線性調(diào)整器旁邊用上一個開關(guān)調(diào)整器(圖12)就行，這樣，線性調(diào)整器的輸入為6V直流電壓，而上面的例子中輸入是14V直流電壓。開關(guān)器件可以有效地把輸入電壓調(diào)低到更為可管理的電壓并把該電壓分配來驅(qū)動其它線性調(diào)整器。這種安排利用了開關(guān)調(diào)整器的高效率和線性調(diào)整器的低成本。由于線性調(diào)整器不必連接到電池，從而進一步節(jié)省了成本，因為可以采用更低電壓的器件。

如圖13所示，跟圖11中35.7%的效率相比，整個系統(tǒng)的效率經(jīng)改善達到74.7%。

另外一種減少電流消耗的辦法是把開關(guān)調(diào)整器和線性調(diào)整器的功能組合起來。開關(guān)調(diào)整器在驅(qū)動其設(shè)計范圍內(nèi)的負載時最有效率。當輸出電壓的負載不重時，保持開關(guān)調(diào)整器開關(guān)工作所需要的電流與其說是一個屬性不如說是一個負擔。在這樣的條件下，線性調(diào)整器的效率更高。

圖14所示的器件能夠在線性調(diào)整器和開關(guān)調(diào)整器兩種工作模式之間切換。該模塊分為兩個獨立的工作部分：第一部分(綠色)支持系統(tǒng)擔當一個升壓開關(guān)調(diào)整器；第二部分(黃色)支持系統(tǒng)用作線性調(diào)整器。不受溫度影響的電壓參考源由兩部分共享。工程師可以根據(jù)輸出負載效率最大或EMI要求來選擇改變工作模式。當負載非常輕時，線性調(diào)整器的效率較高；當負載較重時，開關(guān)調(diào)整器的效率較高。線性調(diào)整器的EMI性能永遠優(yōu)于開關(guān)調(diào)整器。

開關(guān)調(diào)整器的其它應用包括啟動汽車。采用現(xiàn)代防盜系統(tǒng)的汽車，在試圖啟動汽車時，要驗證鑰匙是屬于這輛車的。來自引擎的重負載會造成電池電壓的急劇下降，但是不能造成燈光變暗或驗證過程中所涉及的微處理器復位。

為了做到這一點，你需要能夠為系統(tǒng)提供升壓及降壓的器件。其中一種辦法是采用圖15所示的SEPIC(單端初級線圈電感轉(zhuǎn)換器)。電容C1必須能承受該系統(tǒng)正常的高壓工作限制(就回掃脈沖而言)，并且該高壓負載能夠削去(包括其它瞬變脈沖)通過電感L1的脈沖。這意味著需要一個高壓電容來維持最高的效率，電容的ESR要低，因為大電流要通過該器件。一些工程師討厭流過電容的大電流。過熱可能會導致可靠性問題或電容的老化(開路或短路)。

解決該問題的另一個方案是采用配備雙模轉(zhuǎn)換器的通過區(qū)技術(shù)(pass-through zone technology)，這在降壓和升壓工作模式之間創(chuàng)造了平滑的轉(zhuǎn)換區(qū)，與此同時，確保所需要的降壓/升壓操作。如圖16所示。

在正常的操作中，晶體管Q1擔當降壓開關(guān)調(diào)整器的工作，與此同時，控制電路保持Q2關(guān)閉。當Vbat的輸入電壓急劇下降時，Q1 100%打開而Q2啟動該電路為升壓開關(guān)調(diào)整器。電阻Rpassthrough幫助設(shè)置工作轉(zhuǎn)換，其中有一個通過區(qū)，經(jīng)調(diào)整的輸出電壓稍微變化以為工作模式的轉(zhuǎn)換提供平滑的轉(zhuǎn)換。

現(xiàn)有汽車系統(tǒng)中可用的電力有限，從工程的觀點看，開關(guān)調(diào)整器的效率比線性調(diào)整器要高很多。開關(guān)調(diào)整器具有最多的集成功能，但是，給系統(tǒng)增加的成本也最多。是現(xiàn)在最多功能的開關(guān)調(diào)整器，還是選擇功能較少的線性調(diào)整器？這取決于消費者是否為此買單。