汽車電子系統(tǒng)如何設計多個電源電壓？

小編結合實際，介紹了在性能要求變得愈加苛刻的條件下，設計多個電源電壓以滿足汽車電子系統(tǒng)不同部分的要求。汽車環(huán)境的寬工作電壓要求、大瞬變電壓以及大溫度漂移等因素共同作用下，電子系統(tǒng)面臨著嚴酷的條件。

目前生產的大多數(shù)中高檔汽車都配置了基于 DVD 的 GPS 導航系統(tǒng)作為標準設備(圖 1)。然而可以證實，如果想設計一個用于控制此類系統(tǒng)內不同電壓軌的電源，其復雜程度絲毫不亞于設計筆記本電腦用的電源系統(tǒng)。一個標準的汽車導航系統(tǒng)有可能具有 6 個或更多的電源，包括 8V、5V、3.3V、2.5V、1.5V 和 1.2V。8V 電源用于給使光盤旋轉的 DVD 電機供電;這常常需要高達 2A 的峰值電流。5V 和 3.3V 電源軌通常為系統(tǒng)總線，一般要求各提供 2A～3A 的電流。2.5V 電源軌用于存儲器和 I/O，因此輸送 1A～2A 的電流便足夠了。1.5V 和 1.2V 電源軌分別用于提供 CPU 內核和 DSP 內核電壓。這兩個電源軌的功率電平一般均在 3W～5W 之間。

圖 1：大多數(shù)中高檔汽車都配置了基于 DVD 的 GPS 導航系統(tǒng)作為標準設備

同時，隨著這些系統(tǒng)中組件數(shù)目的增加，可用空間日漸狹小。因此，鑒于所有的實際散熱器都很龐大以致于安裝不便，出于對空間限制以及工作溫度范圍要求的考慮，轉換效率的重要性變得更加突出。在低輸出電壓以及高于幾百毫安的中等電流電平條件下，簡單地采用一個線性穩(wěn)壓器來生成這些系統(tǒng)電壓已不再可行。因此，在過去的幾年里，主要由于散熱方面的限制，開關穩(wěn)壓器一直在逐步取代線性穩(wěn)壓器。開關電源的優(yōu)點包括較高的效率和較小的占位面積，這使得復雜度的增加以及 EMI 問題變得不那么重要。

如果考慮汽車導航系統(tǒng)中的開關穩(wěn)壓器限制條件，則其將需要擁有下列特點和特性：

寬輸入工作范圍

在一個寬負載范圍內具有良好的效率

在正常操作、待機和停機狀態(tài)下具有低靜態(tài)電流

低熱阻

最低的噪聲和 EMI 輻射

讓我們較詳細地研究一下這些基本能力：

1. 寬輸入工作范圍

任何開關穩(wěn)壓器都需要被規(guī)定在一個 3V～60V 的寬輸入電壓范圍內工作，以確?？蓾M足“冷車發(fā)動” 和“負載突降” 的條件。它還具有使這些汽車系統(tǒng)能夠在 14V 或 42V 電壓條件下運行的額外優(yōu)點。而且，60V 的額定電壓還為通常被箝位于 36V～40V 的 14V 系統(tǒng)提供了一個良好的裕度。另外，60V 的額定電壓還使得該器件能夠應用于未來的 42V 系統(tǒng)。這就意味著一款現(xiàn)今為 14V 系統(tǒng)所做的設計可以針對 42V 系統(tǒng)的要求輕而易舉地升級，而無需進行任何重大的重新設計工作。

2. 效率

在大多數(shù)汽車系統(tǒng)中，在一個寬負載范圍內實現(xiàn)高效功率轉換是必不可少的。例如，在 10mA 至 2.5A 的負載范圍內，一個 5V 輸出的功率轉換效率被要求達到 85% 左右。在高電流條件下，內部開關需要具有良好的飽和，通常在 3A 電流時為 0.1Ω。為了改善輕負載效率，需減小驅動電流或使其與負載電流成比例。而且，用于內部控制電路的功率可以通過一個偏置引腳來提供，該偏置引腳可由輸出來供電。這得益于一個降壓型轉換器的功率轉換效率。由于該偏置電流吸收自輸出(而不是輸入)，因而使得控制電路所需的輸入電源電流有所減小，降幅為輸出與輸入電壓之比。例如，一個于 3.3V 時的 100μA 輸出電流只要求于 12V 時的 30μA 平均輸入電流。這最大限度地減小了控制電路所需的輸入電流，并且提高了輕負載時的效率水平。

表 1：高電壓、低靜態(tài)電流降壓型 DC/DC 轉換器

3. 低靜態(tài)電流

汽車系統(tǒng)中有許多應用即使是在車輛處于停駛狀態(tài)下也要求連續(xù)供電。這些應用的一個關鍵要求就是低靜態(tài)電流。在輸出電流降至大約 100mA 以下之前，該器件將運行于正常的連續(xù)開關模式。在該電流電平以下，開關穩(wěn)壓器必須跳過若干脈沖以便維持穩(wěn)壓狀態(tài)。該穩(wěn)壓器可在脈沖之間進入睡眠模式，此時僅對部分內部電路供電。在輕負載電流條件下，開關穩(wěn)壓器需要自動切換至突發(fā)模式操作。在該模式中，對于一個 12V 至 3.3V 轉換器，靜態(tài)電流應降至 100μA 以下。在睡眠模式中，內部基準和電源良好電路將保持運行狀態(tài)，以便監(jiān)視輸出電壓。在停機模式中，靜態(tài)電流應低于 1μA。

4. 低熱阻

理想的情況是，結點至外殼熱阻應該很低。如果器件的背部為裸露銅面并被焊接至 PC 板的表面，則 PC 板可被用來將熱量傳導至遠離器件的地方。目前常用具有內部電源平面的四層電路板能夠實現(xiàn)約 40℃/W 的熱阻。具有至金屬外殼良好熱傳導的高環(huán)境溫度應用可獲得接近 10℃/W 的典型結點至外殼熱阻值。這有助于擴展工作溫度范圍。

5. 關于噪聲和 EMI 的考慮

雖然開關穩(wěn)壓器產生的噪聲多于線性穩(wěn)壓器，但是其效率卻比后者高得多。在許多敏感應用中已經證明只要開關電源按照可預測的方式運作，則噪聲和 EMI 水平是可以控制的。如果開關穩(wěn)壓器在正常模式中以一個恒定的頻率進行開關操作，且開關脈沖邊緣干凈并可預測(沒有過沖或高頻振鈴)，則 EMI 將得到最大限度的抑制。采用小尺寸封裝和高工作頻率能夠實現(xiàn)小巧緊密的布局，這可以最大限度地減少 EMI 輻射。另外，如果穩(wěn)壓器能夠與低 ESR 陶瓷電容器一道使用，則可最大限度地減小輸入和輸出紋波(它們是系統(tǒng)中的額外噪聲源)。

顯然，此類開關穩(wěn)壓器的設計和開發(fā)并不簡單。不過，在過去的幾年中，凌特公司(Linear Technology)一直致力于這種高壓 DC/DC 轉換器的工作，并且擁有了一個專為滿足這些要求而設計以及型款日漸增多的產品庫(表 1)。

LT3434 便是近期推出的此類 DC/DC 轉換器一個實例，它隸屬于一個不斷壯大和能夠處理 60V 電壓的單片降壓型開關穩(wěn)壓器系列。該器件可解決上述汽車導航應用所需面對的諸多問題。LT3434 可在 3.3V 至 60V 的寬輸入電壓范圍內工作(圖 2)。它可在高達 2.5A 的負載電流條件下提供高效率?；鶞示仍谒械碾妷?、負載和溫度條件下均為 ±2%。

由于該器件具有突發(fā)模式(BurstMode)操作功能，因此對于 12V 至 3.3V 應用其靜態(tài)電流小于 100μA。該器件采用具有非常低熱阻的小外形扁平 TSSOP 封裝，以實現(xiàn)小占位面積設計。最后，它采用了一種旨在實現(xiàn)上佳瞬態(tài)響應和簡易補償?shù)碾娏髂Ｊ酵負浣Y構，并且運用了用于在所有占空比條件下維持恒定峰值開關電流的專利電路。開關頻率為恒定的 200kHz，而且可將器件同步至一個更高的頻率。它可在汽車溫度范圍內提供嚴格的電壓調節(jié)，并具有電源良好(Power Good)/ 復位、軟起動和 UVLO(欠壓閉鎖)功能。在高達 2.5A 的電流電平條件下，該電路提供了一種堅固、高效、小占位面積的解決方案。