新型汽車(chē)設計需要具超低 Iq 的高壓同步降壓型轉換器

引言

每年，汽車(chē)都納入越來(lái)越復雜和越來(lái)越多的電子系統，以最大限度地提高舒適度、安全性和性能，同時(shí)盡量降低有害氣體排放。根據市場(chǎng)調查公司Databeans的研究，從 2012 年到 2014 年，汽車(chē)半導體市場(chǎng)預計將以 9% 的年復合增長(cháng)率增長(cháng)。進(jìn)一步促進(jìn)汽車(chē)中電子系統日益增多的因素是：新的安全系統、信息娛樂(lè )系統 (車(chē)載多媒體系統)、引擎、動(dòng)力傳動(dòng)系統和底盤(pán)管理、衛星無(wú)線(xiàn)電和電視、LED 照明、藍牙和其他無(wú)線(xiàn)系統以及后視攝像頭。幾年前，這些系統僅能在“高端”豪華型汽車(chē)中見(jiàn)到，但是現在，這些系統在每一個(gè)汽車(chē)制造商的中檔汽車(chē)中都能見(jiàn)到，從而促使了汽車(chē) IC 市場(chǎng)以更快的速度增長(cháng)。

汽車(chē)中電子系統增加的另一個(gè)關(guān)鍵驅動(dòng)因素是采用了新型發(fā)送機和動(dòng)力傳動(dòng)系統設計。這些新型設計包括：直接燃料噴射、引擎停-啟控制、以及各種不同的混合型 / 電動(dòng)型汽車(chē)配置。這些系統的目標是最大限度地降低有害氣體排放，同時(shí)提高燃料燃燒效率和汽車(chē)的總體性能。這些要求一度是相互排斥的，現在采用“智能”引擎控制系統、大量傳感器和幾個(gè) DSP 后，汽車(chē)制造商能憑借“更干凈”地運行的引擎來(lái)實(shí)現更高的引擎效率。電子控制單元 (ECU) 正在快速增多，以?xún)?yōu)化很多方面的汽車(chē)設計，其中包括引擎和動(dòng)力傳統系統管理以至動(dòng)態(tài)底盤(pán)控制?？傊?，這些新型系統提高了安全性、性能和駕駛員的舒適度，并有助于為我們所有人提供一個(gè)更加干凈的環(huán)境。

隨著(zhù)汽車(chē)系統中電子組件數量的增多，可用空間在持續縮小，從而極大地提高了每個(gè)系統的密度。所有這些系統都需要電源轉換 IC，而且通常有多個(gè)電壓軌以適用于每一個(gè)子系統。傳統上，線(xiàn)性穩壓器可以滿(mǎn)足大部分這類(lèi)電源轉換需求，因為效率和小尺寸不是很重要。但是隨著(zhù)電源密度提高了數個(gè)數量級，而且很多應用都需要在相對較高的環(huán)境溫度下工作，任何適用的散熱器都太大了，無(wú)法包括在內。因此，要最大限度地減少以熱量形式損失的功率，電源轉換效率就變得至關(guān)重要了，這促使降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器取代了線(xiàn)性穩壓器。然而，新出現的汽車(chē)設計要求，甚至在電源電壓變化范圍非常寬、靜態(tài)電流非常低和開(kāi)關(guān)頻率非常高的情況下，開(kāi)關(guān)穩壓器也要提供非常高的效率，而在實(shí)現所有這一切的同時(shí)，還要提供占板面積非常緊湊和高成本效益的解決方案。

電子瞬態(tài)挑戰：停/啟、冷車(chē)發(fā)動(dòng)和負載突降情況

停-啟系統

為了最大限度地提高燃油里程，同時(shí)又可盡量降低二氧化碳排放量，其他可替代的動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)一直在發(fā)展。無(wú)論這些新技術(shù)采用了混合電動(dòng)、清潔柴油還是更傳統的內燃設計，它們都有可能還采用了停/啟電動(dòng)機設計。停/啟電動(dòng)機設計幾乎已經(jīng)普遍出現于世界各地所有混合型設計中，很多歐洲和亞洲的汽車(chē)制造商也已經(jīng)開(kāi)始在傳統的汽油和柴油汽車(chē)中采用停/啟系統。在美國，福特汽車(chē)公司最近宣布，將在很多 2012 家用車(chē)型中采用這類(lèi)系統。

不過(guò)，停/啟系統給電源管理系統帶來(lái)了另一個(gè)挑戰。首先，在引擎 / 交流發(fā)電機關(guān)閉時(shí)，電池必須能給汽車(chē)的各種燈、環(huán)境控制以及其他電子系統供電。此外，當引擎再次重啟時(shí)，電池必須能給啟動(dòng)器供電。在啟動(dòng)時(shí)，這種極端的電池加載情況又引入了另一個(gè)設計挑戰，這一次是電氣方面的挑戰，因為重啟引擎需要吸取大量電流，這有可能暫時(shí)將電池電壓拉低至 4V，這個(gè)變化過(guò)程與圖 1 所示的冷車(chē)發(fā)動(dòng)電壓曲線(xiàn)相當類(lèi)似。當充電器返回穩定狀態(tài)、電池總線(xiàn)電壓短暫低于標稱(chēng)的 13.8V 時(shí)，要提供一個(gè)良好穩定和僅比輸入低幾百毫伏的輸出，以保持關(guān)鍵系統不間斷運行，這時(shí)對電子系統的挑戰就出現了。

圖 1：在 36V 負載突降瞬態(tài)和 4V 冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況下 LT8610 的電壓曲線(xiàn)

20V/DIV：每格 20V

LOAD DUMP：負載突降

COLD CRANK：冷車(chē)發(fā)動(dòng)

當汽車(chē)引擎經(jīng)受寒冷或冰凍溫度一段時(shí)間以后，“冷車(chē)發(fā)動(dòng)”的情況就會(huì )發(fā)生。引擎油變得極度粘稠，需要啟動(dòng)器發(fā)動(dòng)機提供更大的扭矩，這反過(guò)來(lái)又從電池吸取了更大的電流。這種大電流負載可能在一點(diǎn)火時(shí)，將電池 / 主總線(xiàn)電壓拉至低于 4.0V，點(diǎn)火完成之后，電壓一般返回標稱(chēng)的 13.8V。這種情況給汽車(chē)電源總線(xiàn)帶來(lái)的電氣結果可在圖 1 中看到，但是這種結果可能由不同的原因造成。就引擎控制、安全和導航系統等一些應用而言，當務(wù)之急是需要良好穩定的輸出電壓 (至少 3V)，以順利通過(guò)冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況，在汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)實(shí)現連續運行。

電池電纜斷接，而交流發(fā)電機仍然在給電池充電，這時(shí)發(fā)生的情況即是“負載突降”。汽車(chē)運行時(shí)電池電纜松動(dòng)，或汽車(chē)運行時(shí)電池電纜斷裂，都可能發(fā)生這種情況。這種電池電纜的突然斷接可能產(chǎn)生高達 60V 的瞬態(tài)電壓尖峰，因為交流發(fā)電機正在嘗試給“不存在”的電池充滿(mǎn)電。交流發(fā)電機上的瞬態(tài)電壓抑制器通常將總線(xiàn)電壓箝位在 30V 至 34V 之間，并吸收大部分浪涌，不過(guò)，交流發(fā)電機下游的 DC/DC 轉換器承受了高達 36V 的瞬態(tài)電壓尖峰，如圖 1 所示。人們不僅期望這些轉換器不被損壞，而且這些轉換器還必須在這種瞬態(tài)事件發(fā)生期間持續調節輸出電壓。

高效率工作

汽車(chē)應用中電源管理 IC 的高效率工作是十分重要，這出于兩個(gè)主要原因。首先，電源轉換效率越高，以熱量形式浪費的能量就越少。就任何電子系統的長(cháng)期可靠性而言，熱量都是大敵，因此必須有效控制熱量，控制熱量一般需要散熱器，這增大了解決方案的復雜性、尺寸和成本。其次，在混合型或電動(dòng)型汽車(chē)中，任何電能的浪費都將直接縮短汽車(chē)能行駛的路程。直到不久前，高壓單片電源管理 IC 和高效率同步整流設計還是相互排斥的，因為所需的 IC 工藝不能同時(shí)實(shí)現這兩個(gè)目標。歷史上，效率最高的解決方案是高壓控制器，這類(lèi)控制器用外部 MOSFET 實(shí)現同步整流。然而就低于 15W 的應用而言，與單片解決方案相比，這樣的配置相對復雜和笨重。幸運的是，市場(chǎng)已有能同時(shí)提供高壓 (高達 42V)、高效率和內部同步整流的新型電源管理 IC。

“始終保持接通”系統需要超低電源電流

人們要求很多電子子系統以“備用”或“保持有效”模式工作，從而在這類(lèi)狀態(tài)下以穩定的電壓吸取最小的靜態(tài)電流。在大多數導航、行車(chē)安全、車(chē)輛安全和引擎管理電子電源系統中，都能見(jiàn)到這類(lèi)電路。每一個(gè)這樣的子系統都可能使用幾個(gè)微處理器和微控制器。大多數豪華型汽車(chē)都有超過(guò) 100 個(gè)這類(lèi)內置的 DSP，其中約 20% 需要始終保持接通工作。在這類(lèi)系統中，電源轉換 IC 必須以?xún)煞N不同的模式工作。首先，當汽車(chē)運行時(shí)，給這些 DSP 供電的電源一般會(huì )以電池和充電系統饋送的滿(mǎn)電流工作。不過(guò)，當汽車(chē)點(diǎn)火系統關(guān)閉時(shí)，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(shí)從電池吸取最小的電流。既然可能有超過(guò) 20 個(gè)這種始終保持接通的處理器同時(shí)工作，那么即使點(diǎn)火系統關(guān)閉了，對電池也存在極大的功率需求?？傮w上，可能需要數百 mA 的電源電流給這些始終保持接通的處理器供電，這可能在幾天之內就徹底耗盡電池的電量。例如。如果一輛汽車(chē)的每個(gè)高壓降壓型轉換器都需要 2mA 至 10mA 的電源電流，那么來(lái)自車(chē)輛安全系統、GPS 系統和遙控車(chē)門(mén)開(kāi)啟系統以及 ABS 剎車(chē)等其他必須始終保持接通的系統之 20 個(gè)這類(lèi)轉換器，再加上電動(dòng)車(chē)窗的漏電流，就有可能使車(chē)主在完成一次延長(cháng)的 3 周商務(wù)旅行之后會(huì )發(fā)現電池電量已經(jīng)耗盡，從而無(wú)法運轉引擎。這些電源的靜態(tài)電流必須極大地降低，以在不增加電子系統尺寸或復雜性的前提下，延長(cháng)電池壽命。直到不久前，高輸入電壓和低靜態(tài)電流這兩個(gè) DC/DC 轉換器 IC 的參數還是相互排斥的。

為了更好地滿(mǎn)足這些需求，幾家汽車(chē)制造商確立了低靜態(tài)電流目標，即每個(gè)始終保持接通的 DC/DC 轉換器的靜態(tài)電流 10uA。直到不久前，還要求系統制造商并聯(lián)連接低靜態(tài)電流 LDO 和降壓型轉換器，并在兩者之間切換，以在汽車(chē)引擎未運轉時(shí)，降低從電池吸取的電流。這導致了昂貴、笨重且效率相對低的解決方案。

一種新型解決方案

如之前已經(jīng)討論的那樣，汽車(chē)電池總線(xiàn)遭遇不同的瞬態(tài)情況時(shí)，其電壓可能從低于 4V 變化到超過(guò) 40V。隨著(zhù)停-啟系統的積極采用，在一般的行程中，電源總線(xiàn)會(huì )多次遇到低壓瞬態(tài)情況。需要良好穩定的電壓軌以克服這些情況，就汽車(chē)電子系統而言，這一點(diǎn)是最重要的。汽車(chē)中電子系統的增多在持續加速，電子控制單元 (ECU) 用在車(chē)輛安全、行車(chē)安全、導航、底盤(pán)控制、以及引擎 / 變速器管理系統中，因此，對于能提供高效率、低靜態(tài)電流、高頻切換、以及非?？煽康谋Ｗo功能和可靠性的高壓電源管理 IC 之需求也將持續加速。幸運的是，IC 設計師已經(jīng)滿(mǎn)足了這些苛刻的要求。

凌力爾特的 LT8610 是第一個(gè)高壓同步降壓型穩壓器系列。其 3.4V 至 42V 的輸入電壓范圍使該器件非常適用于汽車(chē)應用，因為這類(lèi)應用既會(huì )遇到冷車(chē)發(fā)動(dòng)或停-啟情況下的低壓瞬態(tài)，又會(huì )遇到負載突降情況下的高壓瞬態(tài)。其 2.5A 的連續輸出電流和能夠提供 VIN - 200mV 至 0.97V 的輸出電壓使該器件非常適用于很多直接靠電池總線(xiàn)運行的汽車(chē)軌。該器件可構成簡(jiǎn)單和占板面積非常緊湊的解決方案，無(wú)需任何外部二極管，如圖 2 所示。

圖 2：LT8610 用于提供 5V/2.5A 輸出的汽車(chē)應用典型原理圖，