解析關于汽車內部電子系統(tǒng)的功耗問題

中心議題：

汽車內部電子系統(tǒng)的功耗問題

解決方案：

提高元器件的轉換效率

使用開關開關穩(wěn)壓器取代線性穩(wěn)壓器

高性能的模擬直流-直流轉換器

現(xiàn)在，汽車制造商正不斷地把越來越復雜的電子系統(tǒng)整合到汽車里。AlliedBusinessIntelligence公司預測，汽車半導體市場的年銷售額將從去年的123億美元上升到2007年的170億美元。另一家公司的戰(zhàn)略分析員也提出同樣的觀點：對于現(xiàn)在一部普通的汽車來說，電子系統(tǒng)的成本將占整部汽車的20%以上，但是，到2008年，這個比重將提高到30%。典型的車載電子系統(tǒng)包括：防撞擊雷達、自適應巡航控制、輪胎氣壓監(jiān)測、導航系統(tǒng)、免提式蜂窩電話和其他的無線連接，以及利用生物特征參數(shù)的接入。

一個顯著的增長體現(xiàn)在DVD/HDD導航系統(tǒng)上。第一部DVD/HDD導航系統(tǒng)是在1997年問世的，今年這類系統(tǒng)在全球的銷量預計將超過1,300萬臺。對于任何類型的電子產(chǎn)品而言，汽車的環(huán)境仍然是非?？量痰摹Ｒ筝^大的工作電壓范圍，加上很高的瞬變電壓，溫度變化范圍很大，這些問題合在一起，對電子系統(tǒng)提出了巨大的挑戰(zhàn)。此外，對電子系統(tǒng)性能的要求也越來越高，而且，還需要能夠為系統(tǒng)內的各個不同部件提供不同的電壓。

現(xiàn)在所生產(chǎn)的大多數(shù)汽車中、高檔汽車都把DVD全球定位導航系統(tǒng)作為汽車里的一個標準設備。然而，要在這樣的系統(tǒng)里設計一個能夠滿足所有不同電壓要求的電源，其復雜程度和設計一個筆記本電腦的電源不相上下。一個典型的導航系統(tǒng)至少需要六種電壓：8V、5V、3.3V、2.5V、1.5V和1.2V。8V電壓是用來給DVD馬達供電的，它用于帶動光盤旋轉，在通常情況下，需要高達2A的峰值電流。5V和3.3V電壓一般是供給系統(tǒng)總線的，它們都需要2A至3A的電流。1.5V和1.2V電壓分別是CPU內核和DSP內核的供電電壓，這兩路電壓的功率一般在3W到5W之間。

同時，元器件的數(shù)量卻在不斷地增加，而可用的空間卻越來越小。由于實際需要發(fā)散的熱量太大了，很難把熱量散發(fā)出去。因為空間受到限制，而且要求工作溫度在一定范圍內，所以，轉換效率也就變得越來越重要。當輸出電壓很低而電流適中(約在幾百毫安培以上)時，就無法簡單地用一個線性穩(wěn)壓器來產(chǎn)生這些系統(tǒng)所需要的電壓。于是，在過去的幾年里，主要是因為在熱量方面的限制，開關穩(wěn)壓器正漸漸地取代了線性穩(wěn)壓器。開關穩(wěn)壓器的好處是：效率較高，尺寸較小，這些好處超過了它的復雜性和電磁干擾的問題。

對于計劃在汽車導航系統(tǒng)中使用的開關穩(wěn)壓器來說，由于考慮到存在上述這些限制，那么，它就必須具備以下這些功能和特點：

●輸入工作電壓范圍寬;

●在整個較寬的負載范圍內的效率高;

●在正常的工作模式、待機模式和關機模式下，靜態(tài)電流都必須很低;

●熱阻小;

●噪聲和電磁干擾都很小。

輸入電壓工作范圍寬。任何開關穩(wěn)壓器的輸入電壓范圍都必須在3V至60V之間，只有這樣，才能滿足“冷啟動”和“大負載”的要求。它還具有別的好處，即汽車系統(tǒng)既可以在14V的電壓下運行，也可以在42V的電壓下運行。此外，使用60V的額定電壓的另一個好處是這樣能夠給14V系統(tǒng)留出一個空間，從而可以把電壓控制在36V到40V這個范圍內。再者，有了這個60V的額定電壓，這個設備將來也就可以用于新的42V系統(tǒng)。也就是說，一個14V系統(tǒng)的設計可以很容易地升級到42V系統(tǒng)，不必重新做很多設計。

效率。對于大多數(shù)汽車系統(tǒng)而言，在一個較寬的負載范圍內保持較高的功率轉換效率是很重要的。例如，對于輸出電壓為5V、負載在10mA到2.5A之間的應用來說，功率轉換效率預計為85%。當電流很大時，內部開關必須完全飽和，在一般情況下，在電流為3A時，功耗為0.1W。為了提高輕載效率，可以降低驅動電流，或者讓驅動電流與負載電流成比例。此外，還可以通過一個偏置引腳給內部控制電路供電，這個引腳可以用輸出電壓來供電。這利用了降壓轉換器的功率轉換效率高的優(yōu)點。偏置電流是由輸出而不是由輸入得到的，因此控制電路從供電電源吸收的電流就減少了，減少的倍數(shù)是輸入電壓與輸出電壓的比值。對輸入電流源的要求。例如，當輸出電壓為3.3V，輸出電流為100A，這時需要從12V電壓提供的平均輸入電流是30A。這樣減少了控制電路所需要的電流，從而提高了輕載時的效率。

靜態(tài)電流小。汽車系統(tǒng)里的許多產(chǎn)品即使在汽車停止不動的時候也需要源源不斷地供給電力。對于這些產(chǎn)品來說，一個重要的指標是靜態(tài)電流要小。如果輸出電流不低于100mA，那么，這個設備就一直在正常的開關模式下運作。當電流低于100mA時，開關穩(wěn)壓器必須跳過一些脈沖，維持穩(wěn)壓作用。在兩個脈沖之間穩(wěn)壓器可以進入深度休眠模式，在這個模式下，只對內部的一部分電路供電。在負載電流很小時，開關穩(wěn)壓器要自動地切換到猝發(fā)模式。在這個模式下，12V至3.3V的轉換器的靜態(tài)電流會下降到100A以下。在休眠模式下，內部參考電壓和電源正常指示電路仍然工作，以監(jiān)視輸出電壓。在關機狀態(tài)下，靜態(tài)電流應低于1A。

熱阻小。在理想狀態(tài)下，半導體結到外殼的熱阻應該很小。如果器件背面的銅是裸露的，而且是焊接在印刷電路板的表面，那么，就可以通過這個印刷電路板把這個器件上的熱量散發(fā)出去。如今經(jīng)常使用的四層電路板，中間有一層是功率層，它的熱阻在40℃/W的范圍內。對于在周圍溫度較高的環(huán)境中使用的產(chǎn)品，它們熱量傳給金屬外殼的導熱性能很好，熱阻接近半導體結至外殼的熱阻，通常是10℃/W，從而擴大了有效工作溫度的范圍。

噪聲和電磁干擾問題

開關穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪音比線性穩(wěn)壓器的大，但是，它們的效率高很多。在許多容易受噪音影響的產(chǎn)品中，只要開關電源的性能是可以預先知道的，那么，噪聲和電磁干擾的大小是可以控制的。如果開關穩(wěn)壓器在正常模式下開關頻率是固定的，在開和關時上升沿和下降沿也很干凈并且可以預測，不存在過沖或者高頻衰減振蕩，因而降低電磁干擾。它的封裝尺寸小，工作頻率高，可以把電路布置得很緊湊，很小，從而降低了電磁干擾輻射。此外，如果這個穩(wěn)壓器可以使用等效串聯(lián)電阻很小的陶瓷電容器，那么，就能夠降低輸入電壓紋波和輸出電壓紋波，這是系統(tǒng)里的另一個噪聲源。

顯然，設計和開發(fā)這類開關穩(wěn)壓器并不是件簡單的事情。然而，最新的一個高壓直流-直流轉換器的例子是電壓可以達到60V的降壓開關穩(wěn)壓器單片集成電路。它的輸入電壓范圍為3.3V至60V(圖1)，當負載電流高達2.5A時，效率很高。在所有的輸入電壓、負載和溫度條件下，參考電壓的精度為±2%。

在猝發(fā)模式下，它的靜態(tài)電流低于100A，適合輸入電壓為12V至3.3V的產(chǎn)品。這個器件采用厚度很薄的TSSOP封裝，熱阻非常小，適合尺寸很小的設計。最后，它使用了電流模式電路，具有良好的瞬態(tài)響應，容易補償，并且使用一種擁有專利權的電路，在占空比為任何數(shù)值時保持開關中的峰值電流恒定。它的開關頻率是固定的200kHz，此外，這個產(chǎn)品可以同更高的頻率同步。在整個汽車的溫度范圍內，它的穩(wěn)壓性能很好，并且提供電源正常信號/復位、軟啟動和UVLO功能。這個電路是一個可靠的、高效率的降壓轉換器解決辦法，電流高達2.5A，尺寸很小，適合汽車使用。

盡管汽車導航系統(tǒng)的設計非常復雜，而且需要高性能的模擬直流-直流轉換器，但是，不必為此而擔心。供應商正在推出一種“新一波”穩(wěn)壓器浪潮，它結合了大量必不可少的功能，把系統(tǒng)工程師從繁重的電源設計工作中解放出來。