汽車設(shè)計需要具超低 IQ 的 65V 同步降壓型轉(zhuǎn)換器

引言

“在全球各種立法持續(xù)不斷地推動著下一代汽車技術(shù)的發(fā)展，將進(jìn)一步強(qiáng)化車輛的排放控制和安全性。業(yè)界的競爭和消費(fèi)者的預(yù)期正在導(dǎo)致汽車連接能力的提升，可連接至云和個人便攜式設(shè)備。因此，對于促成型半導(dǎo)體器件的需求預(yù)計在未來 7 年中將達(dá)到 5% 的年平均復(fù)合增長率 (CAAGR)，到 2021 年，總的市場規(guī)模將超過 410 億美元，而 2013 年時則為 275 億美元。美國市場研究公司 Strategy Analytics 的分析也與此一致，認(rèn)為市場對于微控制器和功率半導(dǎo)體元件的需求將占到銷售收入的 40% 以上。”[資料來源：Strategy Analytics 公司 2014 年 5 月發(fā)布]

Strategy Analytics 對于汽車和商用車輛中電子產(chǎn)品所占比重的增長預(yù)測給出了非常定量的描述，但更加重要的是其闡述了電源 IC 在此增長過程中所起的關(guān)鍵性作用。這些新型電源 IC 設(shè)計必須提供：

1)盡可能高的效率以最大限度地緩解熱問題并優(yōu)化電池運(yùn)行時間

2)采用多種電池輸入電壓工作的能力;單節(jié) (汽車) 和雙節(jié) (商用車輛) 鉛酸電池應(yīng)用能夠適應(yīng)很寬的瞬態(tài)電壓擺幅

3)超低的靜態(tài)電流，以使安全、環(huán)境控制和信息娛樂系統(tǒng)等“始終保持接通”系統(tǒng)能夠在汽車引擎 (交流發(fā)電機(jī)) 不運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下保持工作狀態(tài)而不消耗車載電池的電能

4)2MHz 或更高的開關(guān)頻率，以避免開關(guān)噪聲進(jìn)入 AM 無線電頻段并保持非常小的解決方案占板面積

5)盡可能低的 EMI/EMC 輻射，以減輕電子系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲干擾問題

提高電源 IC 性能水平的目標(biāo)是設(shè)計日益復(fù)雜且數(shù)量龐大的車用電子系統(tǒng)，以最大限度地提高舒適性、安全性和性能，同時最大限度地減少有害排放。推動車載電子產(chǎn)品成長的具體應(yīng)用見諸于車輛的各個方面。例如：包括車道監(jiān)視、自適應(yīng)安全控制和自動轉(zhuǎn)向、調(diào)光車前燈和信息娛樂系統(tǒng) (遠(yuǎn)程信息處理) 在內(nèi)的新型安全系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展并在相同的空間里“塞”進(jìn)了更多的功能，而且還必須支持?jǐn)?shù)量不斷增加的云應(yīng)用。高級引擎管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了停止-啟動系統(tǒng)以及電子負(fù)載變速器和引擎控制。傳動系統(tǒng)和底盤管理旨在同時改善性能、安全性和舒適度。幾年前這些系統(tǒng)還僅見于“高檔”豪華型車輛，但是如今每家制造商的汽車通常都配備了此類系統(tǒng)，因而促使汽車電源 IC 以更高的速率增長。

車載電子系統(tǒng)成長的主要推動力之一是許多可改善車輛性能、舒適性和安全性的復(fù)雜電子系統(tǒng)的普及。不過，很多此類系統(tǒng)也是專為在眾多商用車輛 (包括貨車、公共汽車、鏟車等等) 中使用而設(shè)計的。這些應(yīng)用一般采用雙電池。但是許多汽車系統(tǒng)設(shè)計人員都希望能夠利用相同的設(shè)計來應(yīng)對采用單節(jié)電池的汽車和采用雙節(jié)電池的商用車輛，因而需要一款可適應(yīng)這兩種配置的電源 IC。

通過采用兩個串聯(lián)的鉛酸電池，標(biāo)稱電池電壓增加至 24V，這就要求在拋負(fù)載期間提供至 60V 的瞬態(tài)保護(hù)，相比之下，采用 12V 標(biāo)稱電池電壓的汽車其拋負(fù)載要求則為 36V。與此相反，采用單節(jié)電池的汽車應(yīng)用要求電源 IC 能在輸入低至 3.5V 的情況下運(yùn)作，以適應(yīng)冷車發(fā)動和車輛停-啟時的低起動電壓。在雙節(jié)電池應(yīng)用中，這種低輸入要求極大地放寬了，只需要滿足 7V (電池電壓) 的最小值。在圖 1 中，可以看到當(dāng)采用單節(jié)鉛酸電池時冷車發(fā)動 / 車輛停-啟和拋負(fù)載期間的寬暫態(tài)電壓擺幅。雙節(jié)電池應(yīng)用雖然看起來與之相似，但拋負(fù)載期間的最大電壓通常為 60V，而冷車發(fā)動 / 車輛停-啟過程中的最小電壓為 7V。

圖 1：36V 拋負(fù)載瞬變和 4V 冷車發(fā)動場合中的 LT8620

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高效運(yùn)作

在汽車應(yīng)用中，電源管理 IC 的高效運(yùn)作是最重要的，原因有二。首先，電源轉(zhuǎn)換的效率越高，以熱量的形式浪費(fèi)掉的電能就越少。由于熱量是所有電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)長期可靠性的大敵，因此必須對其實(shí)施有效的管控，這一般需要采用散熱器來提供冷卻作用，從而增加了解決方案的復(fù)雜性、尺寸和成本。其次，混合動力汽車或電動汽車 (EV) 中的任何電能損耗都將直接導(dǎo)致車輛可行駛里程的縮短。直到最近，高電壓單片式電源管理 IC 與高效率同步整流設(shè)計之間一直是互相排斥的，因?yàn)樗璧?IC 工藝不能同時支持這兩個目標(biāo)。傳統(tǒng)上，極高效率的解決方案是高電壓控制器，其采用外部 MOSFET 以進(jìn)行同步整流。然而，與單片式可替代方案相比，此類配置對于 15W 以下的應(yīng)用顯得相對復(fù)雜和龐大笨重。幸運(yùn)的是，目前市場上已經(jīng)有了能夠提供高電壓 (至 65V) 和高效率以及內(nèi)部同步整流功能的新型電源管理 IC。

“始終保持接通”系統(tǒng)需要超低電源電流

許多電子子系統(tǒng)必需在“待機(jī)”或“?；?rdquo;模式中運(yùn)作，當(dāng)處于該狀態(tài)時其在一個穩(wěn)定的電壓下吸收極小的靜態(tài)電流。這些電路可見于大多數(shù)導(dǎo)航、安全、防護(hù)和引擎管理電子電源系統(tǒng)。此類子系統(tǒng)都會采用多個微處理器和微控制器。大多數(shù)豪華型轎車均安裝了超過 150 個這類 DSP，而其中的大約 20% 需要執(zhí)行“始終保持接通”的操作。在這些系統(tǒng)中，電源轉(zhuǎn)換 IC 必須工作于兩種不同的模式。首先，當(dāng)汽車在行駛時，負(fù)責(zé)為這些 DSP 供電的電源轉(zhuǎn)換電路通常將以滿電流 (由電池和充電系統(tǒng)饋送) 運(yùn)作。然而，當(dāng)汽車點(diǎn)火裝置關(guān)閉時，這些系統(tǒng)中的微處理器必須保持運(yùn)行，并要求其電源 IC 在從電池吸收極小電流的同時提供一個恒定的電壓。由于可能會有 30 多個“始終保持接通”的此類處理器一起工作，因此即使當(dāng)點(diǎn)火裝置關(guān)閉時電池所承受的電能需求量也是很大。為這些“始終保持接通”的處理器供電所需的總電源電流可達(dá)幾百毫安 (mA)，這有可能在數(shù)日之內(nèi)徹底耗盡電池的電量。比如：如果一輛汽車的高電壓降壓型轉(zhuǎn)換器各需 2mA 的電源電流，那么把來自安全系統(tǒng)、GPS 系統(tǒng)和遙控門鎖系統(tǒng)的 30 個這樣的轉(zhuǎn)換器與其他必須始終保持接通的系統(tǒng) (如 ABS 剎車) 以及源于電動車窗的漏電流加起來，就有可能在三周的漫長商務(wù)旅行之后耗盡電池的電能，從而使之無法發(fā)動引擎。因此，必需大幅度地減小這些電源的靜態(tài)電流以延長電池壽命，并且不增加電子系統(tǒng)的尺寸或復(fù)雜性。就 DC/DC 轉(zhuǎn)換器而言，對于高輸入電壓能力和低靜態(tài)電流的要求直到最近還是互相排斥的參數(shù)。為了更好地管理這些要求，幾家汽車制造商在 10 年前為每個“始終保持接通”的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)立了一個 <100μA 的低靜態(tài)電流目標(biāo)，但是如今的優(yōu)選指標(biāo)則是低于 10μA。很幸運(yùn)，新一代的電源 IC 已經(jīng)推出，其提供的靜態(tài)電流低于 3μA。

新的替代方案

單電池汽車和雙電池商用車輛電源總線的電壓變化范圍可從 3.5V 以下至 60V 以上，因?yàn)樗鼈儽┞队诓煌乃矐B(tài)狀況和配置。由于必需在這種寬輸入電壓范圍內(nèi)獲得良好調(diào)節(jié)的電壓軌，所以需要具有寬輸入電壓和高性能的電源轉(zhuǎn)換 IC。鑒于車載電子產(chǎn)品的增長速度隨著用于防護(hù)、安全、導(dǎo)航、底盤控制和引擎 / 變速器管理的電子控制模塊 (ECM) 而繼續(xù)加快，故而對于可提供高效率、低靜態(tài)電流、高開關(guān)頻率以及非常堅(jiān)固的保護(hù)功能和可靠性的高電壓電源管理 IC 的需求也將加速攀升。幸運(yùn)的是，IC 設(shè)計已經(jīng)逐漸地滿足了這些苛刻的要求。

凌力爾特的 LT8620 是一個高電壓同步降壓型穩(wěn)壓器系列中的首款產(chǎn)品。其 3.4V 至 65V 的輸入電壓范圍使之非常適合于那些會遭受低電壓瞬變 (例如：冷車發(fā)動或停-啟場合) 和高電壓瞬變 (在拋負(fù)載期間遇到) 的汽車和商用車輛 (單和雙電池) 應(yīng)用。其擁有 2.0A 的連續(xù)輸出電流性能以及在 1V 至略低于 VIN 之電壓范圍內(nèi)提供輸出的能力，因而使其成為許多直接依靠單節(jié)或雙節(jié)電池總線供電運(yùn)行之汽車電源軌的理想選擇。由下面的圖 2 可見，該器件非常緊湊和簡單的解決方案占板設(shè)計免除了增設(shè)任何外部二極管的需要。[!--empirenews.page--]

圖 2：LT8620 典型汽車 / 商用車輛原理圖 (對于一個 5V、2A 輸出)

其同步整流設(shè)計包括了內(nèi)部上管和下管以提供高達(dá) 94% 的效率。如圖 3 所示，當(dāng)由12V 標(biāo)稱輸入為一個 5V 負(fù)載供電時，即使在采用相對較高的 700kHz 開關(guān)頻率的情況下它也能夠?qū)崿F(xiàn)超過 94% 的效率。同樣，當(dāng)從一個 24V 標(biāo)稱輸入提供 5V 輸出時，該器件可產(chǎn)生高達(dá) 92% 的效率。這種高效運(yùn)作最大限度地減少了功率損耗并免除了增設(shè)散熱器的需要，即使在可用空間極為受限的應(yīng)用中也不例外。在電動汽車和混合動力汽車中，這可以直接轉(zhuǎn)化為汽車在兩次電池充電之間可行駛里程的增加。

圖 3：LT8620 的效率曲線圖 (針對典型汽車 / 商用車輛原理圖)

此外，LT8620 的突發(fā)模式 (Burst Mode®) 操作還可將無負(fù)載靜態(tài)電流減小至只有 2.5μA，從而使其非常適合于那些必須在盡量延長電池壽命的同時保持恒定電壓調(diào)節(jié) (即使在無負(fù)載時也不例外) 的“始終保持接通”應(yīng)用。由于包括防護(hù)、環(huán)境控制、數(shù)據(jù)記錄、安全和定位在內(nèi)的“始終保持接通”系統(tǒng)日益增多，因此這一點(diǎn)特別重要。另外，一種非常低紋波突發(fā)模式操作拓?fù)溥€可把輸出噪聲大幅降低至 10mVPK-PK 以下，從而使其適合于那些對噪聲敏感的應(yīng)用。如果應(yīng)用要求外部同步，則可利用脈沖跳躍頻率方案取代突發(fā)模式功能。

LT8620 的非常低壓差性能也是非常有益的，特別是在那些必須在停-啟或冷車發(fā)動情況下調(diào)節(jié)輸出的應(yīng)用中。如圖 4 所示，即使在輸入電壓降至低于編程輸出電壓 (這里為 5V) 時，一旦輸入超過 2.9V，則輸出始終比輸入電壓低 500mV (在 2A)。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樵S多 ECM 驅(qū)動需要一個或多個微處理器 / 微控制器。雖然這些 ECM 專為采用 5V 標(biāo)稱電壓運(yùn)作而設(shè)計，但它們可在電源電壓低至 3V 的情況下繼續(xù)工作。于是，在冷車發(fā)動情形下，輸入最低可以降至 3.4V，而且微處理器能夠繼續(xù)正常操作，從而可使 ECU 在冷車發(fā)動期間實(shí)現(xiàn)無縫運(yùn)作。

圖 4：LT8620 壓差性能

除此之外，LT8620 的快速最短接通時間僅為 30ns，能夠以 2MHz 恒定工作頻率從 24V 輸入轉(zhuǎn)換至 1.5V 輸出，從而允許設(shè)計師優(yōu)化效率，同時避開關(guān)鍵的噪聲敏感頻段 (例如：AM 無線電)。即使采用一個高于 16V 的輸入電壓，LT8620 也將在輸出低至 1V 的情況下提供一個經(jīng)過極佳調(diào)節(jié)的輸出電壓。由于以較快的開關(guān)頻率運(yùn)作可縮減外部組件的尺寸，因此 LT8620 的 2.2MHz 開關(guān)操作能力可實(shí)現(xiàn)占板面積非常緊湊的解決方案。另外，該器件還運(yùn)用了特殊的設(shè)計方法以最大限度地抑制潛在的 EMI/EMC 問題。

LT8620 在單個芯片上集成了內(nèi)部上管和下管高效率電源開關(guān)以及必要的升壓二極管、振蕩器、控制和邏輯電路。特殊的設(shè)計技術(shù)和新的高速工藝能夠在寬輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率，而且 LT8620 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、穩(wěn)健的短路保護(hù)、輸出軟起動 / 跟蹤和熱保護(hù)。其 24 引腳 3mm x 5mm QFN 封裝或 16 引腳耐熱性能增強(qiáng)型 MSOP 封裝與高開關(guān)頻率相組合，允許使用很小的外部電感器和電容器，從而可構(gòu)成一個占板面積緊湊和熱效率高的解決方案。[!--empirenews.page--]

結(jié)論

汽車和商用車輛中非常復(fù)雜的電子系統(tǒng)的快速增長對電源管理 IC 產(chǎn)生了更高的需求。其中最突出的需求之一就是擁有必須同時適應(yīng)單節(jié)和雙節(jié)鉛酸電池配置的單個電源 IC，而且單個電源 IC 所需應(yīng)對的瞬態(tài)行為包括停-啟、冷車發(fā)動和拋負(fù)載情況。而且，它還必須能夠在這些情況下準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)一個輸出電壓。此外，部分此類系統(tǒng)將在“始終保持接通” 的待機(jī)模式中運(yùn)作，因而需要極小的電源電流。由于在日漸狹小的空間里添加的電子系統(tǒng)越來越多，因此在盡量縮減解決方案占板面積的同時實(shí)現(xiàn)效率的最大化也是至關(guān)緊要的。幸運(yùn)的是，可滿足上述需求的新一代電源 IC 已經(jīng)面市，從而為提高未來車輛中的電子產(chǎn)品使用率鋪平了道路。