新型汽車設計需要降壓-升壓型轉換器 - 全文

　　隨著汽車系統中電子組件數量的增多，可用空間持續壓縮，這極大地增大了每個系統的密度。所有這些系統都需要電源轉換 IC，通常這些 IC 有多種電壓軌，以給每個子系統供電。傳統上，線性穩壓器滿足了大部分這類電源轉換需求，因為效率和小尺寸不是最重要的。但是隨著功率密度提高了數個量級，加之很多應用需要在相對高的環境溫度中運行，任何切實可行的散熱系統都太大，沒有足夠的空間容納。因此，電源轉換效率變得至關重要了，這導致降壓型開關穩壓器取代了線性穩壓器。不過，新出現的汽車設計需要開關穩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，都能連續提供良好穩定的輸出，這給電源管理 IC 造成了新的挑戰。電源管理 IC 不僅必須提供堅固的設計，而且必須提供最高效率、最低靜態電流和占板面積緊湊的解決方案。

　　電子系統的瞬態挑戰：停/啟、冷車發動和負載突降情況

　　為了最大限度地提高燃油里程，同時盡量降低碳排放，一些非傳統型動力傳動技術在不斷發展。這些新技術無論是采用混合動力、清潔柴油發動機還是采用更傳統內燃機設計，都有可能采用停-啟電動機設計。在全世界所有混合動力設計中，幾乎普遍采用了停-啟電動機設計，很多歐洲和亞洲汽車制造商也將這類設計納入了傳統的汽油和柴油動力汽車中。美國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。

　　停-啟發動機的概念很簡單，當車輛停駛時，關閉發動機，然后在車輛加速之前的瞬間，立即重新啟動發動機。當汽車在車流中或因紅燈停駛時，這可以減少燃油消耗和尾氣排放。這種停-啟設計可將油耗及尾氣排放量降低 5% 至 10%。不過，這類設計面臨的最大挑戰是要讓駕駛員察覺不到整個停-啟過程。要想讓駕駛員察覺不到停-啟過程，需要消除兩大設計障礙。第一個是，利用增強的啟動器設計，實現快速重啟，有些汽車制造商已經將重啟時間降至不到 0.5 秒，從而使停-啟過程真正察覺不到。第二個設計挑戰是，當發動機關閉時，保持所有電子系統 (包括直接由電池供電的空調) 正常運行，同時保持足夠的電力儲備，以在加速時快速重啟發動機。

　　為了納入停-啟功能，動力傳統系統的設計必須修改。也就是說，交流發電機也許還要兼作增強的電動機起動器，以確保快速重啟。此外，必須增加停-啟電子控制單元 (ECU)，以控制發動機何時以及怎樣啟動和停止。當發動機 / 交流發電機關閉時，電池必須能給車輛的各種燈、環境控制以及其他電子系統供電。此外，當再次需要發動機工作時，電池必須能給啟動器供電。這種極端的電池加載操作引入了另一個設計挑戰，這一次是電氣方面的挑戰，重啟發動機需要吸取很大的電流，這又可能將電池電壓暫時拉低至 4V，與圖 1 所示的電壓曲線十分類似。這對電子系統的挑戰在于，當電池總線電壓短暫地低于所需輸出電壓，然后當充電器返回穩定狀態，電池總線電壓又返回標稱的 13.8V 電壓時，要提供良好穩定的 5V (或更高的) 電壓。

　　圖 1：停-啟和冷車發動時的瞬態電壓

　　“冷車發動” 是汽車發動機處于寒冷或冰凍溫度一段時間后而起動的情況。這時機油變得十分粘稠，要求電動機起動器提供更大的扭矩，這回從電池吸取更大的電流。這種大電流負載在點火時，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稱的 13.8V。汽車電源總線的電氣表現看起來與圖 1 所示停-啟系統的情況非常類似，但是它們的原因卻很不相同。至關重要的是，在發生冷車發動情況時，發動機控制、行車安全、導航系統等應用需要良好穩定的輸出電壓 (通常為 5V)，以在車輛啟動時連續運行。

　　“負載突降” 是指當電池電纜斷接同時交流發電機仍然給電池充電的情況。當電池電纜連接不牢固同時汽車在運行時，或當電池電纜斷裂同時汽車在運行時，可能發生“負載突降”情況。這種電池電纜的突然意外斷接可能產生高達 60V 的瞬態電壓尖峰，因為交流發電機試圖給不存在的電池滿充電。交流發電機上的瞬態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，交流發電機下游的 DC/DC 轉換器遭受了高達 36V 的瞬態電壓尖峰。人們希望這些轉換器不僅能承受這樣的電壓尖峰而不被損壞，而且在這種瞬態事件發生期間，還必須能連續調節輸出電壓。

　　圖 2：36V 負載突降情況下的電壓瞬態

　　“始終保持接通”系統需要超低電源電流

　　很多電子子系統都要以備用或“保持有效”模式工作，以在處于這種狀態時，在穩定電壓情況下吸取最低限度的靜態電流。在大多數用于導航、行車安全、車輛安全以及發動機管理的電源系統中，都能見到這類電路。這類子系統中的每一個都可能采用幾個微處理器和微控制器。大多數豪華車中都有超過 100 個這類 DSP，其中 10% 到 20% 以兩種不同模式運行。首先，當汽車正在運行時，給這些 DSP 供電的電源一般會以電池和充電系統饋送的滿電流工作。然而，當汽車點火裝置關閉時，這些系統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，同時從電池吸取最低限度的電流。因為同時運行的這類始終保持接通之處理器可能超過 20 個，所以，即使點火裝置關閉，對電池的功率需求也相當大。總之，可能需要數百毫安 (mA) 的電源電流以給這些始終保持接通的處理器供電，這又可能在幾天時間內徹底耗盡電池電量。例如，如果一輛汽車的高壓降壓型轉換器每個需要 2mA 至 10mA 的電源電流，那么來自車輛安全系統、GPS 系統和遙控車門開啟系統的 20 個轉換器，加上 ABS 剎車等其他必須始終保持接通的系統和電動開窗系統的漏電流，就有可能使你在一次延長的 3 周商務旅行之后，發現汽車電池的電量已經耗盡，從而導致無法發動引擎。這些電源的靜態電流需要極大地降低，以無需增加電子系統的尺寸或復雜性，就能保護電池壽命。直到最近，就 DC/DC 轉換器 IC 而言，高輸入電壓能力和低靜態電流一直是兩個相互排斥的參數要求。

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

　　可用的解決方案

　　如前所述，汽車電池總線處于不同情況時，其電壓可能變化很大。看來，隨著停-啟系統和汽車電子控制單元 (ECU) 以及其他電子產品的普遍采用，即使總線電壓短暫降至低于所需輸出電壓，電源系統也必須無縫運行。過去汽車電源僅需要采用降壓型穩壓器，而現在新型應用要求當總線電壓降至低于所需輸出時，汽車電源 IC 還能提供升壓功能。例如，如果一個 ECU需要 5V 軌而且必須在冷車發動、停-啟和負載突降情況下正常運行，這會發生什么情況? 當輸入電壓在冷車發動或啟-停情況下低于 5V 時，電源 IC 必須充當升壓型轉換器，提供固定 5V 電壓，然而當交流發電機發揮作用，輸入升高到 13.8V 時，電源 IC 必須充當降壓型穩壓器。類似地，在負載突降情況下，即使輸入上升到 36V，電源 IC 也必須連續提供 5V 電壓。此外，從升壓到通過再到降壓型轉換器的轉換必須是完全無縫的，因為 ECU需要不間斷和良好穩定的 5V 電壓。

　　凌力爾特的 LTC3115-1 同步降壓-升壓型轉換器可使用多種電源，例如單節鋰離子電池、24V / 28V 工業電源軌、40V 汽車總線輸入等，能提供高達 2A 的連續輸出電流。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。如圖 3 所示，該器件僅需要單個電感器和極少的外部組件。它在輸入高于、低于或等于穩定輸出時，能提供良好穩定的輸出，從而非常適用于汽車應用，因為在汽車應用中，不管輸入電壓變化范圍多寬，都需要良好的穩壓輸出。于 LTC3115-1 中采用的低噪聲降壓-升壓型拓撲在降壓和升壓模式之間提供連續和無抖動的轉換，從而為噪聲敏感型應用進行了優化。LTC3115-1 的開關頻率是用戶可編程的，范圍為 100kHz 至 2MHz，并可同步至一個外部時鐘。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 封裝相結合，可構成占板面積緊湊的解決方案。

　　LTC3115-1 采用了 4 個內部低 RDS (ON) N 溝道 MOSFET，以在典型的汽車應用中提供高達 94% 的效率 (參見圖 4)。用戶可選的突發模式 (Burst Mode?) 工作將靜態電流降至僅為 50uA，從而提高了輕負載效率，并延長了始終保持接通系統的電池運行時間。就噪聲敏感型應用而言，突發模式工作可以禁止。其他功能包括內部軟啟動、可編程欠壓保護、短路保護和輸出斷接。