汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的DC/DC轉(zhuǎn)換器選擇指南

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(yán)酷的條件，本文介紹如何在性能要求變得愈加苛刻的條件下，設(shè)計(jì)多個(gè)電源電壓以滿足汽車電子系統(tǒng)不同部分的要求。

目前生產(chǎn)的大多數(shù)中高檔汽車都配置了基于DVD的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備(圖1)。然而可以證實(shí)，如果想設(shè)計(jì)一個(gè)用于控制此類系統(tǒng)內(nèi)不同電壓軌的電源，其復(fù)雜程度絲毫不亞于設(shè)計(jì)筆記本電腦用的電源系統(tǒng)。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的汽車導(dǎo)航系統(tǒng)有可能具有6個(gè)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(zhuǎn)的DVD電機(jī)供電；這常常需要高達(dá)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(chǔ)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(nèi)核和DSP內(nèi)核電壓。這兩個(gè)電源軌的功率電平一般均在3W～5W之間。

同時(shí)，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(shí)際散熱器都很龐大以致于安裝不便，出于對(duì)空間限制以及工作溫度范圍要求的考慮，轉(zhuǎn)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(jiǎn)單地采用一個(gè)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(guān)穩(wěn)壓器一直在逐步取代線性穩(wěn)壓器。開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)包括較高的效率和較小的占位面積，這使得復(fù)雜度的增加以及EMI問題變得不那么重要。

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

寬輸入工作范圍

在一個(gè)寬負(fù)載范圍內(nèi)具有良好的效率

在正常操作、待機(jī)和停機(jī)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(xì)地研究一下這些基本能力：

1. 寬輸入工作范圍

圖1:大多數(shù)中高檔汽車都配置了基于DVD的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

任何開關(guān)穩(wěn)壓器都需要被規(guī)定在一個(gè)3V～60V的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，以確?？蓾M足"冷車發(fā)動(dòng)" 和"負(fù)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(yùn)行的額外優(yōu)點(diǎn)。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(gè)良好的裕度。另外，60V的額定電壓還使得該器件能夠應(yīng)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(shè)計(jì)可以針對(duì)42V系統(tǒng)的要求輕而易舉地升級(jí)，而無(wú)需進(jìn)行任何重大的重新設(shè)計(jì)工作。

2. 效率

在大多數(shù)汽車系統(tǒng)中，在一個(gè)寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效功率轉(zhuǎn)換是必不可少的。例如，在10mA 至2.5A的負(fù)載范圍內(nèi)，一個(gè)5V輸出的功率轉(zhuǎn)換效率被要求達(dá)到85% 左右。在高電流條件下，內(nèi)部開關(guān)需要具有良好的飽和，通常在3A電流時(shí)為0.1Ω。為了改善輕負(fù)載效率，需減小驅(qū)動(dòng)電流或使其與負(fù)載電流成比例。而且，用于內(nèi)部控制電路的功率可以通過一個(gè)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(gè)降壓型轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)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(gè)于3.3V時(shí)的100μA輸出電流只要求于12V時(shí)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(fù)載時(shí)的效率水平。

表1：高電壓、低靜態(tài)電流降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器

3. 低靜態(tài)電流

汽車系統(tǒng)中有許多應(yīng)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(yīng)用的一個(gè)關(guān)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(yùn)行于正常的連續(xù)開關(guān)模式。在該電流電平以下，開關(guān)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(jìn)入睡眠模式，此時(shí)僅對(duì)部分內(nèi)部電路供電。在輕負(fù)載電流條件下，開關(guān)穩(wěn)壓器需要自動(dòng)切換至突發(fā)模式操作。在該模式中，對(duì)于一個(gè)12V至3.3V轉(zhuǎn)換器，靜態(tài)電流應(yīng)降至100μA以下。在睡眠模式中，內(nèi)部基準(zhǔn)和電源良好電路將保持運(yùn)行狀態(tài)，以便監(jiān)視輸出電壓。在停機(jī)模式中，靜態(tài)電流應(yīng)低于1μA。

4. 低熱阻

理想的情況是，結(jié)點(diǎn)至外殼熱阻應(yīng)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(dǎo)至遠(yuǎn)離器件的地方。目前常用具有內(nèi)部電源平面的四層電路板能夠?qū)崿F(xiàn)約40℃/W的熱阻。具有至金屬外殼良好熱傳導(dǎo)的高環(huán)境溫度應(yīng)用可獲得接近10℃/W的典型結(jié)點(diǎn)至外殼熱阻值。這有助于擴(kuò)展工作溫度范圍。

5. 關(guān)于噪聲和EMI的考慮

雖然開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)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(yīng)用中已經(jīng)證明只要開關(guān)電源按照可預(yù)測(cè)的方式運(yùn)作，則噪聲和EMI水平是可以控制的。如果開關(guān)穩(wěn)壓器在正常模式中以一個(gè)恒定的頻率進(jìn)行開關(guān)操作，且開關(guān)脈沖邊緣干凈并可預(yù)測(cè)(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?qū)崿F(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(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)和開發(fā)并不簡(jiǎn)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(zhuǎn)換器的工作，并且擁有了一個(gè)專為滿足這些要求而設(shè)計(jì)以及型款日漸增多的產(chǎn)品庫(kù)(表1)。

LT3434便是近期推出的此類DC/DC轉(zhuǎn)換器一個(gè)實(shí)例，它隸屬于一個(gè)不斷壯大和能夠處理60V電壓的單片降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器系列。該器件可解決上述汽車導(dǎo)航應(yīng)用所需面對(duì)的諸多問題。LT3434可在3.3V至60V的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作(圖2)。它可在高達(dá)2.5A的負(fù)載電流條件下提供高效率。基準(zhǔn)精度在所有的電壓、負(fù)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(duì)于12V至3.3V應(yīng)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(shí)現(xiàn)小占位面積設(shè)計(jì)。最后，它采用了一種旨在實(shí)現(xiàn)上佳瞬態(tài)響應(yīng)和簡(jiǎn)易補(bǔ)償?shù)碾娏髂Ｊ酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且運(yùn)用了用于在所有占空比條件下維持恒定峰值開關(guān)電流的專利電路。開關(guān)頻率為恒定的200kHz，而且可將器件同步至一個(gè)更高的頻率。它可在汽車溫度范圍內(nèi)提供嚴(yán)格的電壓調(diào)節(jié)，并具有電源良好(Power Good)/復(fù)位、軟起動(dòng)和UVLO(欠壓閉鎖)功能。在高達(dá)2.5A的電流電平條件下，該電路提供了一種堅(jiān)固、高效、小占位面積的解決方案。

本文小結(jié)

盡管汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很復(fù)雜，而且還要求其模擬DC/DC轉(zhuǎn)換器提供高性能，但是您無(wú)需為此感到驚慌。諸如凌特公司正在推出一個(gè)“新浪潮”穩(wěn)壓器，它們組合了許多關(guān)鍵功能，對(duì)于系統(tǒng)工程師而言，這些功能是減低電源設(shè)計(jì)工作量和苛刻程度所必需的。