汽車信息娛樂系統(tǒng)對電源供電的需求分析

　　隨著汽車中使用的電子元件數(shù)量不斷快速增多，我們可以預(yù)期電源轉(zhuǎn)換集成電路會面臨更多設(shè)計挑戰(zhàn)：

　　有些器件需要穩(wěn)定的電壓輸入、低靜態(tài)電流和低噪聲，而另一些器件則需要為滿足LED照明等特定應(yīng)用的需求而專門定制，所有器件都需要占板面積更小、效率盡可能高。

　　汽車中每年都在不斷增加越來越復(fù)雜的電子系統(tǒng)。市場調(diào)查公司IC Insights預(yù)計，2008年汽車半導(dǎo)體市場將從2005年的125億美元增長到超過181億美元。另一家市場調(diào)查公司 Strategy Analytics 對這個市場的看法也同樣樂觀：今天，在汽車總成本中，電子系統(tǒng)成本所占比重超過20%，到2008年這個比重將超過30%。汽車中安裝的電子系統(tǒng)包括信息娛樂系統(tǒng)、發(fā)動機管理、防撞雷達(dá)、衛(wèi)星無線電設(shè)備和電視、免提蜂窩電話以及其它無線連接系統(tǒng)。這些系統(tǒng)過去常常只出現(xiàn)在歐洲“高檔”豪華型汽車中，但是現(xiàn)在卻正在集成到更多“主流”汽車中，這使得汽車集成電路市場的增長更加快。

　　增長最明顯的領(lǐng)域之一是基于DVD/HDD的信息娛樂系統(tǒng)，這些系統(tǒng)是大多數(shù)中高檔汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。這類系統(tǒng)于1997年首次推出，2006年全球銷量預(yù)計將超過 1500萬部。這種信息娛樂系統(tǒng)至少包括導(dǎo)航系統(tǒng)、AM/FM收音機和CD播放器，但是現(xiàn)在越來越多的系統(tǒng)增加了具有多個輸出的DVD播放器、衛(wèi)星無線電設(shè)備，甚至在某些情況下還增加了衛(wèi)星電視。這些系統(tǒng)年復(fù)年地變得越來越復(fù)雜，還增加了面朝后的汽車攝像機、遇險通信系統(tǒng)、藍(lán)牙兼容免提蜂窩電話等選項。

　　同時，這些系統(tǒng)中的元件數(shù)也在增多，而可用空間卻在不斷縮小。因此，任何實用的散熱器都太大，系統(tǒng)無法容納。這樣一來，由于空間限制和工作溫度要求，電源轉(zhuǎn)換效率就成了關(guān)鍵因素。在低輸出電壓和甚至高于幾百毫安的中等電流水平，簡單使用線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生這類系統(tǒng)所用電壓都不再可行了，因為產(chǎn)生的熱量太多。因此，主要由于熱限制，開關(guān)穩(wěn)壓器正在取代線性穩(wěn)壓器。開關(guān)穩(wěn)壓器的高效率、小占板面積等好處與附帶的復(fù)雜性和EMI問題相比，還是利大于弊的。

　　這些復(fù)雜的系統(tǒng)需要在可靠和緊湊的布局中有大量電壓軌，為這樣的系統(tǒng)設(shè)計開關(guān)電源給電源集成電路設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)。圖1說明了今天的信息娛樂系統(tǒng)的復(fù)雜性。

圖1：現(xiàn)代信息娛樂系統(tǒng)

　　典型的信息娛樂系統(tǒng)可能有 8 個或更多不同的電源，如8.5V(在歐洲是 8.5V，在日本是 9.5V)、5V、3.3V、2.5V、1.5V和1.2V。8V用作DVD電機電源，用于旋轉(zhuǎn)盤片，這通常需要高達(dá)2A的峰值電流。5V和3.3V電源軌一般用于系統(tǒng)總線，通常都需要提供2A至3A電流。2.5V電源軌用于存儲器和I/O，1A至2A電流足夠了。1.5V和1.2V電源軌分別用于為CPU和DSP內(nèi)核供電。這兩種電壓軌的功率級通常在3W至5W 之間。

　　除了這些較高電流的應(yīng)用，也需要較低功率級(低于1W)用于主TFT-LCD顯示器(一般為7英寸至10英寸)以及攝像機CCD的偏置。還需要一個5W至10W的功率級用于TFT-LCD顯示器的白光LED背光照明。

　　由于要滿足所有這些功率需求，因此在大多數(shù)信息娛樂系統(tǒng)中可以發(fā)現(xiàn)多種開關(guān)穩(wěn)壓器。在比較有利的電氣環(huán)境中，可使用便攜產(chǎn)品所用的開關(guān)穩(wěn)壓器。不過，有些電源集成電路面對的是苛刻得多的電氣環(huán)境，這帶來了很大的設(shè)計挑戰(zhàn)。例如，無論何時，只要電源軌直接產(chǎn)生于電池/充電系統(tǒng)，就要求寬輸入電壓范圍來滿足電壓擺幅極大的要求。如果特定系統(tǒng)需要保持“始終接通”狀態(tài)，那么最重要的是要具有最低靜態(tài)電流。類似地，開關(guān)頻率接近AM/RF/GPS電路頻率的開關(guān)穩(wěn)壓器集成電路一定不要對這些頻帶產(chǎn)生干擾。用于TFT-LCD背光照明的LED 驅(qū)動器集成電路必須具有寬調(diào)光范圍，以補償最輕微的環(huán)境光線變化。最后，所有 DC/DC 轉(zhuǎn)換器都要盡可能小，以適合緊湊的布局，還要盡可能高的效率，以消除對散熱器的需求。

　　用電池供電

　　不管信息娛樂系統(tǒng)中有什么樣的應(yīng)用或子系統(tǒng)，電源最初都是來自汽車電池和充電系統(tǒng)。然而，汽車電池或充電系統(tǒng)剛好是電氣環(huán)境最苛刻的地方。就電源集成電路以及由這些集成電路供電的子系統(tǒng)而言，主要關(guān)注兩種情況：負(fù)載突降和冷車發(fā)動。

　　1．負(fù)載突降(60V瞬態(tài)保護)：

　　“負(fù)載突降”是交流發(fā)電機正在給電池充電而電池電纜斷接時出現(xiàn)的情況。圖 2 顯示了由負(fù)載突降引起的典型電壓瞬態(tài)。在交流發(fā)電機試圖全力充電時突然斷接可能產(chǎn)生高達(dá)80V的瞬態(tài)電壓尖峰。交流發(fā)電機上的瞬態(tài)電壓抑制器通常將總線電壓箝位在36V到60V之間。不過，交流發(fā)電機的下游器件主端DC/DC轉(zhuǎn)換器可能仍然要承受 60V 的瞬態(tài)電壓尖峰。由于這些轉(zhuǎn)換器和由轉(zhuǎn)換器供電的子系統(tǒng)在這種瞬態(tài)事件發(fā)生期間和發(fā)生以后要正常工作，因此DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠處理這些高壓(60V 至 100VMAX)瞬態(tài)是至關(guān)重要的?？梢栽谕獠繉崿F(xiàn)各種保護電路(通常是瞬態(tài)電壓抑制器)，但是外部電路提高了成本，而且需要占用寶貴的空間。凌特公司的幾款高壓開關(guān)穩(wěn)壓器，如LT3433、LT3434/5、LT1976/7和LT3437/8，能夠承受高達(dá)80V的瞬態(tài)電壓，同時保持輸出穩(wěn)壓，不對系統(tǒng)性能或可靠性造成影響。一般情況下，這些穩(wěn)壓器是降壓型或降壓-升壓型的，可經(jīng)受由充電/電池系統(tǒng)中斷引起的汽車電池和交流發(fā)電機的電壓改變。

圖2：負(fù)載突降和冷車發(fā)動的輸入/輸出電壓隨時間的變化

　　總之：負(fù)載突降瞬態(tài)是由正在充電的電池意外斷接引起的電壓尖峰；負(fù)載突降瞬態(tài)規(guī)格為36V至80V，但是取決于具體使用的是哪一代電源以及所用的控制方法；如果不加抑制，負(fù)載突降瞬態(tài)能損壞電源總線上的很多電子元件。

　　2．冷車發(fā)動(4.5V至超過60V的輸入瞬態(tài))：

　　“冷車發(fā)動”是汽車發(fā)動機在寒冷或冰凍溫度下度過一段時間后發(fā)生的情況。這時機油變得非常黏稠，需要發(fā)動機啟動器提供更大的扭轉(zhuǎn)力，而這又需要電池提供更大的電流。這種大電流負(fù)載能在啟動時將電池/主端總線電壓拉低至 4V，之后，電壓一般會返回到標(biāo)稱的13.8V。圖2用圖形表述了在冷車發(fā)動時電壓隨時間變化的情況。問題是，某些子系統(tǒng)在整個冷車發(fā)動過程中需要非常恒定的穩(wěn)定輸出。這些應(yīng)用一般用 3.3V 電壓工作，包括發(fā)動機控制單元（ECU）以及對汽車安全和可靠工作至關(guān)重要的環(huán)境和應(yīng)急系統(tǒng)等。

　　任何直接連接到電池上的開關(guān)穩(wěn)壓器都需要規(guī)定在3至60V的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，以確保滿足冷車發(fā)動和負(fù)載突降情況的要求。此外，60V額定值為14V系統(tǒng)提供了極好的裕度，這些系統(tǒng)常常箝位到36V至40V的范圍。滿足上述要求的器件包括LT3430和LT3431，這兩款器件適用于需要高達(dá)2.5A 輸出電流的應(yīng)用，以及滿足1.25A電流要求的LT1766和LT1767。