汽車電子系統(tǒng)促進(jìn)對(duì)多通道同步降壓型轉(zhuǎn)換器的需求

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引言

為了提高行車安全性、舒適度、效率和性能，汽車中的電子系統(tǒng)密度一直在不斷提高，因此汽車需要尺寸更小和性能更高的電源轉(zhuǎn)換解決方案就不足為奇了。這類新型多通道電源管理解決方案需要提供多達(dá) 4 個(gè)獨(dú)立的電源軌，其中 3 個(gè)通常用來給微處理器所需的 VCORE、VI/O 和 VMEM 供電，第四個(gè) 5V 軌一般用來給 CAN 收發(fā)器供電。按照 Strategy Analytics 公司的研究結(jié)果：“未來 7 年，對(duì)可行半導(dǎo)體器件的需求預(yù)計(jì)將以 5% 的平均年復(fù)合增長(zhǎng)率 (CAGR) 增長(zhǎng)，到 2021 年總體市場(chǎng)規(guī)模將超過 410 億美元，而 2014 年市場(chǎng)規(guī)模為 300 億美元。”該公司還預(yù)測(cè)，對(duì)微控制器和電源半導(dǎo)體的需求將產(chǎn)生超過 40% 的收入。

Strategy Analytics 針對(duì)汽車中電子系統(tǒng)的增長(zhǎng)預(yù)測(cè)提供了量化描述，但是更令人感興趣的是，電源 IC 在這種增長(zhǎng)中發(fā)揮了無處不在的作用。這些新型電源 IC 必須：

1)用單一電源管理 IC 提供多個(gè)電壓軌

2)跨多種電壓范圍提供可靠的性能，包括從 <4V 的冷車發(fā)動(dòng)和停-啟情況到超過 36V 的拋載瞬態(tài)

3)提供從 5V 直至低于 1V 的輸出范圍

4)具備超低電磁干擾 (EMI) 輻射

5)提供盡可能的最高效率以最大限度減輕過熱問題，并優(yōu)化電池運(yùn)行時(shí)間

6)超低靜態(tài)電流 (每個(gè)通道小于 10µA) 可使安全、環(huán)境控制和信息娛樂系統(tǒng)等始終保持導(dǎo)通的系統(tǒng)在汽車引擎 (交流發(fā)電機(jī)) 不運(yùn)行的情況下保持工作狀態(tài)，并不會(huì)耗盡汽車電池的電量

7)提供占板面積最小的解決方案，且常常需要提供多個(gè)電壓軌，以最大限度減少電源轉(zhuǎn)換電路所需空間

8)提供 2MHz 或更高的開關(guān)頻率，以保持開關(guān)噪聲在 AM無線電頻段以外，并保持很小的解決方案占板面積

汽車中的電子系統(tǒng)日益增多、越來越復(fù)雜，提高電源 IC 性能的目的是允許設(shè)計(jì)適應(yīng)這種狀況的電子系統(tǒng)。促進(jìn)汽車中電子系統(tǒng)增長(zhǎng)的具體應(yīng)用在汽車中到處都是。例如，新型行車安全系統(tǒng)包括車道監(jiān)視、自適應(yīng)行車安全控制、自動(dòng)轉(zhuǎn)向和前燈調(diào)光等。信息娛樂系統(tǒng) (車載多媒體系統(tǒng)) 不斷演變，在一個(gè)已經(jīng)很擁擠的空間中不斷塞入更多功能，但是現(xiàn)在還必須支持日益增加的云應(yīng)用。采用了停/啟系統(tǒng)的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)以電子方式控制變速器和發(fā)動(dòng)機(jī)。動(dòng)力傳動(dòng)和底盤管理系統(tǒng)旨在同時(shí)提高性能、行車安全和舒適性。幾年前，還僅能在“高端”豪華型汽車中見到這些系統(tǒng)，但是現(xiàn)在這些系統(tǒng)在每一家制造商的汽車中都屬于常見配置了，這進(jìn)一步加速了汽車電源 IC 市場(chǎng)的增長(zhǎng)。

更小的電源轉(zhuǎn)換電路

有幾種方法可使電源轉(zhuǎn)換電路更小。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。通過將電源 IC 的開關(guān)頻率從 400kHz 提高到 2MHz，這類外部組件的尺寸可以極大減小。不過，要有效實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，電源 IC 必須能夠在這類較高的頻率上具備高效率，這在以前是不可行的。然而，通過采用最新工藝和設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)開發(fā)出同步電源 IC，這類 IC 以 2MHz 切換時(shí)效率超過 90%。高效率工作最大限度降低了功耗，從而無需散熱器。高效率工作還有一個(gè)附加的好處，即保持開關(guān)噪聲位于 AM 頻段以外，這對(duì)很多噪聲敏感型電子系統(tǒng)而言是至關(guān)重要的。

另一種顯著減小電源轉(zhuǎn)換電路的方法是，當(dāng)需要幾個(gè)單獨(dú)的輸出電壓軌時(shí)，用多輸出轉(zhuǎn)換器代替多個(gè)單獨(dú)的器件。例如，當(dāng)給一個(gè)微處理器供電時(shí)，大多數(shù)設(shè)計(jì)都需要 3 個(gè)獨(dú)立的輸出，以給微處理器所需的 VCORE、VI/O 和 VMEM 供電，還需要第四個(gè) 5V 軌給 CAN 收發(fā)器供電，該收發(fā)器使微處理器能夠與系統(tǒng)中其余電子組件通信。恰當(dāng)設(shè)計(jì)的 4 輸出轉(zhuǎn)換器 IC 比相應(yīng)的單輸出轉(zhuǎn)換器大得不是很多，而其解決方案占板面積卻可能比 4 個(gè)單獨(dú)的單輸出轉(zhuǎn)換器小一半以上，當(dāng)比較采用 2MHz 開關(guān)頻率的 4 輸出穩(wěn)壓器和以 500kHz 運(yùn)行的 4 個(gè)單輸出穩(wěn)壓器時(shí)，尺寸的減小尤其有吸引力。此外，4 輸出轉(zhuǎn)換器用來最大限度減小不希望出現(xiàn)的通道間串?dāng)_，而 4 個(gè)相鄰單輸出轉(zhuǎn)換器之間的串?dāng)_可能很成問題，除非這些轉(zhuǎn)換器全部同步到一個(gè)公共時(shí)鐘。增加外部時(shí)鐘和同步會(huì)同時(shí)增大尺寸、復(fù)雜性以及電路成本。

工作時(shí)具很低的 EMI

因?yàn)槠囯姎猸h(huán)境有固有噪聲，很多應(yīng)用易于受到電磁干擾 (EMI) 影響，所以極需關(guān)注的是，開關(guān)穩(wěn)壓器不能加重這類 EMI 問題。因?yàn)殚_關(guān)穩(wěn)壓器一般是輸入電源總線上第一個(gè)有源器件，所以不論下游轉(zhuǎn)換器好壞，開關(guān)穩(wěn)壓器都會(huì)顯著影響轉(zhuǎn)換器的總體 EMI 性能。因此，最大限度降低 EMI 迫在眉睫。過去所采取的解決是采用 EMI 屏蔽罩，但是這種方法顯著增大了成本和解決方案占板面積，同時(shí)使熱量管理、測(cè)試和制造更加復(fù)雜。另一種潛在的電源管理 IC 解決方案是降低內(nèi)部 MOSFET 開關(guān)邊沿的變化速度。然而，這種方法產(chǎn)生了不想要的影響，即降低了效率，延長(zhǎng)了最短接通時(shí)間，損害了 IC 以等于或高于 2MHz 開關(guān)頻率提供低占空比的能力。由于人們希望同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率和較小的解決方案占板面積，所以這不是一種可行的解決方案。幸運(yùn)的是，一些不久前推出的電源 IC 設(shè)計(jì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了快速開關(guān)頻率、高效率工作和較短的最短接通時(shí)間。這些設(shè)計(jì)可以提供低 EMI 輻射，甚至具 2MHz 開關(guān)頻率和效率超過 90%。這些 IC 設(shè)計(jì)也無需使用額外的組件或屏蔽，就可實(shí)現(xiàn)如此高的性能水平，因此成為開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重大突破。

一種新的 IC 選擇

凌力爾特的 LT8602 是一款 42V 輸入、高效率、4 輸出單片同步降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器。其 3V 至 42V 輸入電壓范圍使該器件非常適合汽車應(yīng)用，這些應(yīng)用必須穩(wěn)定地通過最低輸入電壓低至 3V 的冷車發(fā)動(dòng)和停-啟情況以及超過 40V 的拋載瞬態(tài)。正如我們?cè)趫D 1 中所能看到的那樣，其 4 通道設(shè)計(jì)提供 4 個(gè)獨(dú)立輸出，高壓 2.5A 和 1.5A 通道以及兩個(gè)較低電壓的 1.8A 通道，可提供低至 0.8V 的電壓，從而使該器件能夠驅(qū)動(dòng)現(xiàn)有之電壓最低的微處理器內(nèi)核。其同步整流拓?fù)渚邆涓哌_(dá) 94% 的效率，而突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作在無負(fù)載備用情況下保持靜態(tài)電流低于 30µA (所有通道均接通)，從而使該器件非常適合始終保持接通的系統(tǒng)。

圖 1：LT8602 原理圖，提供 5V、3.3V、1.8V 和 1.2V 輸出

就噪聲敏感型應(yīng)用而言，LT8602 加上一個(gè)小型外部濾波器，就可以運(yùn)用其脈沖跳躍模式最大限度降低開關(guān)噪聲，且可滿足 CISPR25 Class 5 EMI 要求，如圖 2 所示。

圖 2：LT8602 EMI 輻射性能

(具 Class 5 峰值限制的 CISPR25 輻射測(cè)試)

LT8602 的開關(guān)頻率可在 250kHz 至 2MHz 范圍內(nèi)設(shè)定，并可在此范圍內(nèi)同步。其 60ns 最短接通時(shí)間在 2MHz 開關(guān)頻率的高壓通道實(shí)現(xiàn) 16VIN 至 2.0VOUT 降壓轉(zhuǎn)換。當(dāng)高壓 VOUT2 通道為兩個(gè)低壓通道 (VOUT3 和 VOUT4) 饋電時(shí)，這些低壓通道可提供低至 0.8V 輸出，同時(shí)以 2MHz 切換，從而可提供非常緊湊 (約 25mm x 25mm) 的 4 輸出解決方案，如圖 3 所示。

圖 3：LT8602 四輸出解決方案占板面積 (2x實(shí)際尺寸)

除了最大限度減小解決方案尺寸，LT8602 的 2MHz 開關(guān)頻率還使設(shè)計(jì)師能夠避開關(guān)鍵噪聲敏感頻段 (例如 AM 無線電頻段)。LT8602 的每個(gè)通道在所有條件下都保持僅為 200mV (在 1A) 最低壓差電壓，從而使該器件能夠在諸如汽車?yán)滠嚢l(fā)動(dòng)等情況下表現(xiàn)出色。每個(gè)通道的可編程加電復(fù)位和電源良好指示器有助于確保總體系統(tǒng)可靠性。LT8602 的 40 引線耐熱性能增強(qiáng)型 6mm x 6mm 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，從而可構(gòu)成占板面積緊湊的高熱效率解決方案。

LT8602 采用 4 個(gè)內(nèi)部高效率上管和下管，所有必要的升壓二極管、振蕩器、控制和邏輯電路都集成到單一芯片中。通道 1 和 3 與通道 2 和 4 以 180 度反相切換，降低了輸出紋波。每通道都有一個(gè)單獨(dú)的輸入以提高設(shè)計(jì)靈活性，但是大多數(shù)應(yīng)用會(huì)直接用兩個(gè)高壓通道運(yùn)行兩個(gè)低壓通道，以構(gòu)成非常簡(jiǎn)單的高頻四輸出設(shè)計(jì)。低紋波突發(fā)模式工作模式在低輸出電流時(shí)保持高效率，同時(shí)保持輸出紋波低于 15mVPK-PK。獨(dú)特的設(shè)計(jì)方法和新的高速工藝使得在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高效率，而且 LT8602 的電流模式拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了快速瞬態(tài)響應(yīng)和卓越的環(huán)路穩(wěn)定性。其他特點(diǎn)包括內(nèi)部補(bǔ)償、電源良好標(biāo)記、輸出軟啟動(dòng) / 跟蹤以及短路和過熱保護(hù)。

結(jié)論

汽車中電子系統(tǒng)的數(shù)量和復(fù)雜性都在迅速增加，因此必須對(duì)電源管理 IC 性能提出更高的要求。通過使用 4 輸出電源 IC，汽車設(shè)計(jì)師可以極大地減小電源轉(zhuǎn)換電路所需空間。由于開關(guān)頻率為 2MHz，所以外部組件的尺寸 (即電感器和輸出電容器的尺寸) 也可以極大地減小，從而可構(gòu)成占板面積非常緊湊的 4 軌解決方案。這類緊湊型設(shè)計(jì)也非常堅(jiān)固，能承受在停-啟、冷車發(fā)動(dòng)和拋載時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)情況，同時(shí)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)所有輸出。此外，超低靜態(tài)電流使這些設(shè)計(jì)非常適合始終保持接通系統(tǒng)。隨著更多的電子系統(tǒng)添加到日益縮小的空間中，最大限度減小解決方案占板面積同時(shí)盡量提高效率變得至關(guān)重要。幸運(yùn)的是，滿足這些要求的新一代多輸出電源 IC 已經(jīng)上市，從而為將來在汽車中增加更多電子系統(tǒng)作好了準(zhǔn)備。