新型汽車設(shè)計(jì)需要降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器

引言

每年，汽車都采用更多的復(fù)雜電子系統(tǒng)，以最大限度地提高舒適度、安全性和性能，同時(shí)最大限度地降低有害氣體排放。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查公司 Databeans的數(shù)據(jù)，從 2011 年到 2014 年，汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)的年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到 9%。汽車中電子系統(tǒng)的日益增多受到了以下因素的驅(qū)動(dòng)：新型安全系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng) (車載多媒體系統(tǒng))、發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)管理、衛(wèi)星無線電和電視、LED 照明、藍(lán)牙以及其他無線系統(tǒng)和后視攝像頭。5 年前，這些系統(tǒng)僅在歐洲的高端豪華汽車中才能見到，但是現(xiàn)在，這些系統(tǒng)正集成到每一個(gè)制造商的中檔汽車中，從而使汽車 IC 市場(chǎng)能以更快的速度增長(zhǎng)。

汽車采用電子系統(tǒng)的一個(gè)主要驅(qū)動(dòng)力是新型發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的采用，其中包括直接燃料噴射、停-啟控制和各種不同的混合型 / 電動(dòng)型汽車配置的采用。同時(shí)，世界各地的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)變得越來越嚴(yán)格，而提高燃油里程的壓力持續(xù)增加。然而，客戶要求更高的性能。這些要求一度是相互排斥的，不過采用“智能”發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、大量傳感器和幾個(gè) DSP，使汽車制造商能實(shí)現(xiàn)更高的發(fā)動(dòng)機(jī)效率，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)能以更清潔的方式運(yùn)行。電子控制單元 (ECU) 正在快速普及，以優(yōu)化汽車的多方面設(shè)計(jì)，例如發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)管理、動(dòng)態(tài)底盤控制等。總之，這些新系統(tǒng)改善了安全性、性能和駕駛員舒適度，有助于為我們所有人提供一個(gè)更清潔的環(huán)境。

隨著汽車系統(tǒng)中電子組件數(shù)量的增多，可用空間持續(xù)壓縮，這極大地增大了每個(gè)系統(tǒng)的密度。所有這些系統(tǒng)都需要電源轉(zhuǎn)換 IC，通常這些 IC 有多種電壓軌，以給每個(gè)子系統(tǒng)供電。傳統(tǒng)上，線性穩(wěn)壓器滿足了大部分這類電源轉(zhuǎn)換需求，因?yàn)樾屎托〕叽绮皇亲钪匾摹５请S著功率密度提高了數(shù)個(gè)量級(jí)，加之很多應(yīng)用需要在相對(duì)高的環(huán)境溫度中運(yùn)行，任何切實(shí)可行的散熱系統(tǒng)都太大，沒有足夠的空間容納。因此，電源轉(zhuǎn)換效率變得至關(guān)重要了，這導(dǎo)致降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器取代了線性穩(wěn)壓器。不過，新出現(xiàn)的汽車設(shè)計(jì)需要開關(guān)穩(wěn)壓器提供恒定輸出電壓，而不管輸入是否高于、低于或等于輸出。新的電源 IC 無論輸入電壓擺幅多大，都能連續(xù)提供良好穩(wěn)定的輸出，這給電源管理 IC 造成了新的挑戰(zhàn)。電源管理 IC 不僅必須提供堅(jiān)固的設(shè)計(jì)，而且必須提供最高效率、最低靜態(tài)電流和占板面積緊湊的解決方案。

電子系統(tǒng)的瞬態(tài)挑戰(zhàn)：停/啟、冷車發(fā)動(dòng)和負(fù)載突降情況

為了最大限度地提高燃油里程，同時(shí)盡量降低碳排放，一些非傳統(tǒng)型動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)在不斷發(fā)展。這些新技術(shù)無論是采用混合動(dòng)力、清潔柴油發(fā)動(dòng)機(jī)還是采用更傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)，都有可能采用停-啟電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。在全世界所有混合動(dòng)力設(shè)計(jì)中，幾乎普遍采用了停-啟電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，很多歐洲和亞洲汽車制造商也將這類設(shè)計(jì)納入了傳統(tǒng)的汽油和柴油動(dòng)力汽車中。美國(guó)福特公司不久前宣布，將在很多2012家用車型中采用停-啟系統(tǒng)。

停-啟發(fā)動(dòng)機(jī)的概念很簡(jiǎn)單，當(dāng)車輛停駛時(shí)，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，然后在車輛加速之前的瞬間，立即重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)汽車在車流中或因紅燈停駛時(shí)，這可以減少燃油消耗和尾氣排放。這種停-啟設(shè)計(jì)可將油耗及尾氣排放量降低 5% 至 10%。不過，這類設(shè)計(jì)面臨的最大挑戰(zhàn)是要讓駕駛員察覺不到整個(gè)停-啟過程。要想讓駕駛員察覺不到停-啟過程，需要消除兩大設(shè)計(jì)障礙。第一個(gè)是，利用增強(qiáng)的啟動(dòng)器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)快速重啟，有些汽車制造商已經(jīng)將重啟時(shí)間降至不到 0.5 秒，從而使停-啟過程真正察覺不到。第二個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)，保持所有電子系統(tǒng) (包括直接由電池供電的空調(diào)) 正常運(yùn)行，同時(shí)保持足夠的電力儲(chǔ)備，以在加速時(shí)快速重啟發(fā)動(dòng)機(jī)。

為了納入停-啟功能，動(dòng)力傳統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須修改。也就是說，交流發(fā)電機(jī)也許還要兼作增強(qiáng)的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器，以確?？焖僦貑ⅰ４送?，必須增加停-啟電子控制單元 (ECU)，以控制發(fā)動(dòng)機(jī)何時(shí)以及怎樣啟動(dòng)和停止。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī) / 交流發(fā)電機(jī)關(guān)閉時(shí)，電池必須能給車輛的各種燈、環(huán)境控制以及其他電子系統(tǒng)供電。此外，當(dāng)再次需要發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，電池必須能給啟動(dòng)器供電。這種極端的電池加載操作引入了另一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，這一次是電氣方面的挑戰(zhàn)，重啟發(fā)動(dòng)機(jī)需要吸取很大的電流，這又可能將電池電壓暫時(shí)拉低至 4V，與圖 1 所示的電壓曲線十分類似。這對(duì)電子系統(tǒng)的挑戰(zhàn)在于，當(dāng)電池總線電壓短暫地低于所需輸出電壓，然后當(dāng)充電器返回穩(wěn)定狀態(tài)，電池總線電壓又返回標(biāo)稱的 13.8V 電壓時(shí)，要提供良好穩(wěn)定的 5V (或更高的) 電壓。

圖 1：停-啟和冷車發(fā)動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)電壓

“冷車發(fā)動(dòng)” 是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)處于寒冷或冰凍溫度一段時(shí)間后而起動(dòng)的情況。這時(shí)機(jī)油變得十分粘稠，要求電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器提供更大的扭矩，這回從電池吸取更大的電流。這種大電流負(fù)載在點(diǎn)火時(shí)，可能將電池 / 主總線電壓拉低至 4.0V，之后，電池總線電壓一般返回標(biāo)稱的 13.8V。汽車電源總線的電氣表現(xiàn)看起來與圖 1 所示停-啟系統(tǒng)的情況非常類似，但是它們的原因卻很不相同。至關(guān)重要的是，在發(fā)生冷車發(fā)動(dòng)情況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制、行車安全、導(dǎo)航系統(tǒng)等應(yīng)用需要良好穩(wěn)定的輸出電壓 (通常為 5V)，以在車輛啟動(dòng)時(shí)連續(xù)運(yùn)行。

“負(fù)載突降” 是指當(dāng)電池電纜斷接同時(shí)交流發(fā)電機(jī)仍然給電池充電的情況。當(dāng)電池電纜連接不牢固同時(shí)汽車在運(yùn)行時(shí)，或當(dāng)電池電纜斷裂同時(shí)汽車在運(yùn)行時(shí)，可能發(fā)生“負(fù)載突降”情況。這種電池電纜的突然意外斷接可能產(chǎn)生高達(dá) 60V 的瞬態(tài)電壓尖峰，因?yàn)榻涣靼l(fā)電機(jī)試圖給不存在的電池滿充電。交流發(fā)電機(jī)上的瞬態(tài)電壓抑制器通常將總線電壓箝位在 30V 到 34V 之間，并吸收大部分浪涌。不過，交流發(fā)電機(jī)下游的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器遭受了高達(dá) 36V 的瞬態(tài)電壓尖峰。人們希望這些轉(zhuǎn)換器不僅能承受這樣的電壓尖峰而不被損壞，而且在這種瞬態(tài)事件發(fā)生期間，還必須能連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖 2：36V 負(fù)載突降情況下的電壓瞬態(tài)

“始終保持接通”系統(tǒng)需要超低電源電流

很多電子子系統(tǒng)都要以備用或“保持有效”模式工作，以在處于這種狀態(tài)時(shí)，在穩(wěn)定電壓情況下吸取最低限度的靜態(tài)電流。在大多數(shù)用于導(dǎo)航、行車安全、車輛安全以及發(fā)動(dòng)機(jī)管理的電源系統(tǒng)中，都能見到這類電路。這類子系統(tǒng)中的每一個(gè)都可能采用幾個(gè)微處理器和微控制器。大多數(shù)豪華車中都有超過 100 個(gè)這類 DSP，其中 10% 到 20% 以兩種不同模式運(yùn)行。首先，當(dāng)汽車正在運(yùn)行時(shí)，給這些 DSP 供電的電源一般會(huì)以電池和充電系統(tǒng)饋送的滿電流工作。然而，當(dāng)汽車點(diǎn)火裝置關(guān)閉時(shí)，這些系統(tǒng)中的微處理器必須保持有效，從而要求它們的電源 IC 提供恒定電壓，同時(shí)從電池吸取最低限度的電流。因?yàn)橥瑫r(shí)運(yùn)行的這類始終保持接通之處理器可能超過 20 個(gè)，所以，即使點(diǎn)火裝置關(guān)閉，對(duì)電池的功率需求也相當(dāng)大。總之，可能需要數(shù)百毫安 (mA) 的電源電流以給這些始終保持接通的處理器供電，這又可能在幾天時(shí)間內(nèi)徹底耗盡電池電量。例如，如果一輛汽車的高壓降壓型轉(zhuǎn)換器每個(gè)需要 2mA 至 10mA 的電源電流，那么來自車輛安全系統(tǒng)、GPS 系統(tǒng)和遙控車門開啟系統(tǒng)的 20 個(gè)轉(zhuǎn)換器，加上 ABS 剎車等其他必須始終保持接通的系統(tǒng)和電動(dòng)開窗系統(tǒng)的漏電流，就有可能使你在一次延長(zhǎng)的 3 周商務(wù)旅行之后，發(fā)現(xiàn)汽車電池的電量已經(jīng)耗盡，從而導(dǎo)致無法發(fā)動(dòng)引擎。這些電源的靜態(tài)電流需要極大地降低，以無需增加電子系統(tǒng)的尺寸或復(fù)雜性，就能保護(hù)電池壽命。直到最近，就 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 IC 而言，高輸入電壓能力和低靜態(tài)電流一直是兩個(gè)相互排斥的參數(shù)要求。

為了更好地滿足這些需求，幾家汽車制造商設(shè)定了每個(gè)始終保持接通的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的 50uA 低靜態(tài)電流目標(biāo)。直到最近，系統(tǒng)制造商一直被要求并聯(lián)連接低靜態(tài)電流 LDO 和降壓型轉(zhuǎn)換器，并在每次汽車熄火時(shí)，從轉(zhuǎn)換器切換到電流低得多的 LDO。這導(dǎo)致解決方案昂貴、笨重且相對(duì)低效。

可用的解決方案

如前所述，汽車電池總線處于不同情況時(shí)，其電壓可能變化很大?？磥?，隨著停-啟系統(tǒng)和汽車電子控制單元 (ECU) 以及其他電子產(chǎn)品的普遍采用，即使總線電壓短暫降至低于所需輸出電壓，電源系統(tǒng)也必須無縫運(yùn)行。過去汽車電源僅需要采用降壓型穩(wěn)壓器，而現(xiàn)在新型應(yīng)用要求當(dāng)總線電壓降至低于所需輸出時(shí)，汽車電源 IC 還能提供升壓功能。例如，如果一個(gè) ECU需要 5V 軌而且必須在冷車發(fā)動(dòng)、停-啟和負(fù)載突降情況下正常運(yùn)行，這會(huì)發(fā)生什么情況? 當(dāng)輸入電壓在冷車發(fā)動(dòng)或啟-停情況下低于 5V 時(shí)，電源 IC 必須充當(dāng)升壓型轉(zhuǎn)換器，提供固定 5V 電壓，然而當(dāng)交流發(fā)電機(jī)發(fā)揮作用，輸入升高到 13.8V 時(shí)，電源 IC 必須充當(dāng)降壓型穩(wěn)壓器。類似地，在負(fù)載突降情況下，即使輸入上升到 36V，電源 IC 也必須連續(xù)提供 5V 電壓。此外，從升壓到通過再到降壓型轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換必須是完全無縫的，因?yàn)?ECU需要不間斷和良好穩(wěn)定的 5V 電壓。

凌力爾特的 LTC3115-1 同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器可使用多種電源，例如單節(jié)鋰離子電池、24V / 28V 工業(yè)電源軌、40V 汽車總線輸入等，能提供高達(dá) 2A 的連續(xù)輸出電流。其 2.7V 至 40V 的輸入和輸出范圍使該器件非常適用于汽車系統(tǒng)。如圖 3 所示，該器件僅需要單個(gè)電感器和極少的外部組件。它在輸入高于、低于或等于穩(wěn)定輸出時(shí)，能提供良好穩(wěn)定的輸出，從而非常適用于汽車應(yīng)用，因?yàn)樵谄噾?yīng)用中，不管輸入電壓變化范圍多寬，都需要良好的穩(wěn)壓輸出。于 LTC3115-1 中采用的低噪聲降壓-升壓型拓?fù)湓诮祲汉蜕龎耗Ｊ街g提供連續(xù)和無抖動(dòng)的轉(zhuǎn)換，從而為噪聲敏感型應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。LTC3115-1 的開關(guān)頻率是用戶可編程的，范圍為 100kHz 至 2MHz，并可同步至一個(gè)外部時(shí)鐘。專有第三代降壓-升壓型 PWM 電路確保低噪聲和高效率，同時(shí)最大限度地減小了外部組件的尺寸。纖巧的外部組件與 4mm x 5mm DFN 或 TSSOP-20E 封裝相結(jié)合，可構(gòu)成占板面積緊湊的解決方案。

LTC3115-1 采用了 4 個(gè)內(nèi)部低 RDS (ON) N 溝道 MOSFET，以在典型的汽車應(yīng)用中提供高達(dá) 94% 的效率 (參見圖 4)。用戶可選的突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作將靜態(tài)電流降至僅為 50uA，從而提高了輕負(fù)載效率，并延長(zhǎng)了始終保持接通系統(tǒng)的電池運(yùn)行時(shí)間。就噪聲敏感型應(yīng)用而言，突發(fā)模式工作可以禁止。其他功能包括內(nèi)部軟啟動(dòng)、可編程欠壓保護(hù)、短路保護(hù)和輸出斷接。

圖 3：LTC3115-1 典型汽車應(yīng)用原理圖

圖 4：LTC3115-1 典型汽車應(yīng)用原理圖的效率曲線

結(jié)論

汽車中非常專業(yè)化的電子子系統(tǒng)迅速增加，給汽車應(yīng)用中的電源 IC 提出了嚴(yán)格的性能要求。視電源在汽車電源總線上所處位置的不同，電源可能受到停-啟、冷車發(fā)動(dòng)和負(fù)載突降情況的影響，而且無論輸入低于、高于或等于所需輸出，都必須能準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)輸出電壓。此外，這類系統(tǒng)中有些將以需要最小電源電流的“始終保持接通”備用模式運(yùn)行。隨著汽車中增加越來越多電子系統(tǒng)，最大限度地減小解決方案占板面積同時(shí)盡量提高效率也變得至關(guān)重要了。幸運(yùn)的是，有些電源 IC 設(shè)計(jì)師已經(jīng)開發(fā)出可滿足這些需求的解決方案，從而為將來在汽車中增加更多電子產(chǎn)品鋪平了道路。