汽車(chē)設計需要具超低 IQ 的 65V 同步降壓型轉換器

引言

“在全球各種立法持續不斷地推動(dòng)著(zhù)下一代汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，將進(jìn)一步強化車(chē)輛的排放控制和安全性。業(yè)界的競爭和消費者的預期正在導致汽車(chē)連接能力的提升，可連接至云和個(gè)人便攜式設備。因此，對于促成型半導體器件的需求預計在未來(lái) 7 年中將達到 5% 的年平均復合增長(cháng)率 (CAAGR)，到 2021 年，總的市場(chǎng)規模將超過(guò) 410 億美元，而 2013 年時(shí)則為 275 億美元。美國市場(chǎng)研究公司 Strategy Analytics 的分析也與此一致，認為市場(chǎng)對于微控制器和功率半導體元件的需求將占到銷(xiāo)售收入的 40% 以上?！盵資料來(lái)源：Strategy Analytics 公司 2014 年 5 月發(fā)布]

Strategy Analytics 對于汽車(chē)和商用車(chē)輛中電子產(chǎn)品所占比重的增長(cháng)預測給出了非常定量的描述，但更加重要的是其闡述了電源 IC 在此增長(cháng)過(guò)程中所起的關(guān)鍵性作用。這些新型電源 IC 設計必須提供：

1)盡可能高的效率以最大限度地緩解熱問(wèn)題并優(yōu)化電池運行時(shí)間

2)采用多種電池輸入電壓工作的能力;單節 (汽車(chē)) 和雙節 (商用車(chē)輛) 鉛酸電池應用能夠適應很寬的瞬態(tài)電壓擺幅

3)超低的靜態(tài)電流，以使安全、環(huán)境控制和信息娛樂(lè )系統等“始終保持接通”系統能夠在汽車(chē)引擎 (交流發(fā)電機) 不運轉的情況下保持工作狀態(tài)而不消耗車(chē)載電池的電能

4)2MHz 或更高的開(kāi)關(guān)頻率，以避免開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)入 AM 無(wú)線(xiàn)電頻段并保持非常小的解決方案占板面積

5)盡可能低的 EMI/EMC 輻射，以減輕電子系統內部的噪聲干擾問(wèn)題

提高電源 IC 性能水平的目標是設計日益復雜且數量龐大的車(chē)用電子系統，以最大限度地提高舒適性、安全性和性能，同時(shí)最大限度地減少有害排放。推動(dòng)車(chē)載電子產(chǎn)品成長(cháng)的具體應用見(jiàn)諸于車(chē)輛的各個(gè)方面。例如：包括車(chē)道監視、自適應安全控制和自動(dòng)轉向、調光車(chē)前燈和信息娛樂(lè )系統 (遠程信息處理) 在內的新型安全系統持續發(fā)展并在相同的空間里“塞”進(jìn)了更多的功能，而且還必須支持數量不斷增加的云應用。高級引擎管理系統實(shí)現了停止-啟動(dòng)系統以及電子負載變速器和引擎控制。傳動(dòng)系統和底盤(pán)管理旨在同時(shí)改善性能、安全性和舒適度。幾年前這些系統還僅見(jiàn)于“高檔”豪華型車(chē)輛，但是如今每家制造商的汽車(chē)通常都配備了此類(lèi)系統，因而促使汽車(chē)電源 IC 以更高的速率增長(cháng)。

車(chē)載電子系統成長(cháng)的主要推動(dòng)力之一是許多可改善車(chē)輛性能、舒適性和安全性的復雜電子系統的普及。不過(guò)，很多此類(lèi)系統也是專(zhuān)為在眾多商用車(chē)輛 (包括貨車(chē)、公共汽車(chē)、鏟車(chē)等等) 中使用而設計的。這些應用一般采用雙電池。但是許多汽車(chē)系統設計人員都希望能夠利用相同的設計來(lái)應對采用單節電池的汽車(chē)和采用雙節電池的商用車(chē)輛，因而需要一款可適應這兩種配置的電源 IC。

通過(guò)采用兩個(gè)串聯(lián)的鉛酸電池，標稱(chēng)電池電壓增加至 24V，這就要求在拋負載期間提供至 60V 的瞬態(tài)保護，相比之下，采用 12V 標稱(chēng)電池電壓的汽車(chē)其拋負載要求則為 36V。與此相反，采用單節電池的汽車(chē)應用要求電源 IC 能在輸入低至 3.5V 的情況下運作，以適應冷車(chē)發(fā)動(dòng)和車(chē)輛停-啟時(shí)的低起動(dòng)電壓。在雙節電池應用中，這種低輸入要求極大地放寬了，只需要滿(mǎn)足 7V (電池電壓) 的最小值。在圖 1 中，可以看到當采用單節鉛酸電池時(shí)冷車(chē)發(fā)動(dòng) / 車(chē)輛停-啟和拋負載期間的寬暫態(tài)電壓擺幅。雙節電池應用雖然看起來(lái)與之相似，但拋負載期間的最大電壓通常為 60V，而冷車(chē)發(fā)動(dòng) / 車(chē)輛停-啟過(guò)程中的最小電壓為 7V。

圖 1：36V 拋負載瞬變和 4V 冷車(chē)發(fā)動(dòng)場(chǎng)合中的 LT8620

高效運作

在汽車(chē)應用中，電源管理 IC 的高效運作是最重要的，原因有二。首先，電源轉換的效率越高，以熱量的形式浪費掉的電能就越少。由于熱量是所有電子系統實(shí)現長(cháng)期可靠性的大敵，因此必須對其實(shí)施有效的管控，這一般需要采用散熱器來(lái)提供冷卻作用，從而增加了解決方案的復雜性、尺寸和成本。其次，混合動(dòng)力汽車(chē)或電動(dòng)汽車(chē) (EV) 中的任何電能損耗都將直接導致車(chē)輛可行駛里程的縮短。直到最近，高電壓?jiǎn)纹诫娫垂芾?IC 與高效率同步整流設計之間一直是互相排斥的，因為所需的 IC 工藝不能同時(shí)支持這兩個(gè)目標。傳統上，極高效率的解決方案是高電壓控制器，其采用外部 MOSFET 以進(jìn)行同步整流。然而，與單片式可替代方案相比，此類(lèi)配置對于 15W 以下的應用顯得相對復雜和龐大笨重。幸運的是，目前市場(chǎng)上已經(jīng)有了能夠提供高電壓 (至 65V) 和高效率以及內部同步整流功能的新型電源管理 IC。

“始終保持接通”系統需要超低電源電流

許多電子子系統必需在“待機”或“?；睢蹦Ｊ街羞\作，當處于該狀態(tài)時(shí)其在一個(gè)穩定的電壓下吸收極小的靜態(tài)電流。這些電路可見(jiàn)于大多數導航、安全、防護和引擎管理電子電源系統。此類(lèi)子系統都會(huì )采用多個(gè)微處理器和微控制器。大多數豪華型轎車(chē)均安裝了超過(guò) 150 個(gè)這類(lèi) DSP，而其中的大約 20% 需要執行“始終保持接通”的操作。在這些系統中，電源轉換 IC 必須工作于兩種不同的模式。首先，當汽車(chē)在行駛時(shí)，負責為這些 DSP 供電的電源轉換電路通常將以滿(mǎn)電流 (由電池和充電系統饋送) 運作。然而，當汽車(chē)點(diǎn)火裝置關(guān)閉時(shí)，這些系統中的微處理器必須保持運行，并要求其電源 IC 在從電池吸收極小電流的同時(shí)提供一個(gè)恒定的電壓。由于可能會(huì )有 30 多個(gè)“始終保持接通”的此類(lèi)處理器一起工作，因此即使當點(diǎn)火裝置關(guān)閉時(shí)電池所承受的電能需求量也是很大。為這些“始終保持接通”的處理器供電所需的總電源電流可達幾百毫安 (mA)，這有可能在數日之內徹底耗盡電池的電量。比如：如果一輛汽車(chē)的高電壓降壓型轉換器各需 2mA 的電源電流，那么把來(lái)自安全系統、GPS 系統和遙控門(mén)鎖系統的 30 個(gè)這樣的轉換器與其他必須始終保持接通的系統 (如 ABS 剎車(chē)) 以及源于電動(dòng)車(chē)窗的漏電流加起來(lái)，就有可能在三周的漫長(cháng)商務(wù)旅行之后耗盡電池的電能，從而使之無(wú)法發(fā)動(dòng)引擎。因此，必需大幅度地減小這些電源的靜態(tài)電流以延長(cháng)電池壽命，并且不增加電子系統的尺寸或復雜性。就 DC/DC 轉換器而言，對于高輸入電壓能力和低靜態(tài)電流的要求直到最近還是互相排斥的參數。為了更好地管理這些要求，幾家汽車(chē)制造商在 10 年前為每個(gè)“始終保持接通”的 DC/DC 轉換器設立了一個(gè) <100μA 的低靜態(tài)電流目標，但是如今的優(yōu)選指標則是低于 10μA。很幸運，新一代的電源 IC 已經(jīng)推出，其提供的靜態(tài)電流低于 3μA。

新的替代方案

單電池汽車(chē)和雙電池商用車(chē)輛電源總線(xiàn)的電壓變化范圍可從 3.5V 以下至 60V 以上，因為它們暴露于不同的瞬態(tài)狀況和配置。由于必需在這種寬輸入電壓范圍內獲得良好調節的電壓軌，所以需要具有寬輸入電壓和高性能的電源轉換 IC。鑒于車(chē)載電子產(chǎn)品的增長(cháng)速度隨著(zhù)用于防護、安全、導航、底盤(pán)控制和引擎 / 變速器管理的電子控制模塊 (ECM) 而繼續加快，故而對于可提供高效率、低靜態(tài)電流、高開(kāi)關(guān)頻率以及非常堅固的保護功能和可靠性的高電壓電源管理 IC 的需求也將加速攀升。幸運的是，IC 設計已經(jīng)逐漸地滿(mǎn)足了這些苛刻的要求。

凌力爾特的 LT8620 是一個(gè)高電壓同步降壓型穩壓器系列中的首款產(chǎn)品。其 3.4V 至 65V 的輸入電壓范圍使之非常適合于那些會(huì )遭受低電壓瞬變 (例如：冷車(chē)發(fā)動(dòng)或停-啟場(chǎng)合) 和高電壓瞬變 (在拋負載期間遇到) 的汽車(chē)和商用車(chē)輛 (單和雙電池) 應用。其擁有 2.0A 的連續輸出電流性能以及在 1V 至略低于 VIN 之電壓范圍內提供輸出的能力，因而使其成為許多直接依靠單節或雙節電池總線(xiàn)供電運行之汽車(chē)電源軌的理想選擇。由下面的圖 2 可見(jiàn)，該器件非常緊湊和簡(jiǎn)單的解決方案占板設計免除了增設任何外部二極管的需要。

圖 2：LT8620 典型汽車(chē) / 商用車(chē)輛原理圖 (對于一個(gè) 5V、2A 輸出)

其同步整流設計包括了內部上管和下管以提供高達 94% 的效率。如圖 3 所示，當由12V 標稱(chēng)輸入為一個(gè) 5V 負載供電時(shí)，即使在采用相對較高的 700kHz 開(kāi)關(guān)頻率的情況下它也能夠實(shí)現超過(guò) 94% 的效率。同樣，當從一個(gè) 24V 標稱(chēng)輸入提供 5V 輸出時(shí)，該器件可產(chǎn)生高達 92% 的效率。這種高效運作最大限度地減少了功率損耗并免除了增設散熱器的需要，即使在可用空間極為受限的應用中也不例外。在電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)中，這可以直接轉化為汽車(chē)在兩次電池充電之間可行駛里程的增加。

圖 3：LT8620 的效率曲線(xiàn)圖 (針對典型汽車(chē) / 商用車(chē)輛原理圖)

此外，LT8620 的突發(fā)模式 (Burst Mode?) 操作還可將無(wú)負載靜態(tài)電流減小至只有 2.5μA，從而使其非常適合于那些必須在盡量延長(cháng)電池壽命的同時(shí)保持恒定電壓調節 (即使在無(wú)負載時(shí)也不例外) 的“始終保持接通”應用。由于包括防護、環(huán)境控制、數據記錄、安全和定位在內的“始終保持接通”系統日益增多，因此這一點(diǎn)特別重要。另外，一種非常低紋波突發(fā)模式操作拓撲還可把輸出噪聲大幅降低至 10mVPK-PK 以