汽車(chē)導航系統的功耗問(wèn)題

現在，汽車(chē)制造商正不斷地把越來(lái)越復雜的電子系統整合到汽車(chē)里。Allied Business Intelligence公司預測，汽車(chē)半導體市場(chǎng)的年銷(xiāo)售額將從去年的123億美元上升到2007年的170億美元。另一家公司的戰略分析員也提出同樣的觀(guān)點(diǎn)：對于現在一部普通的汽車(chē)來(lái)說(shuō)，電子系統的成本將占整部汽車(chē)的20%以上，但是，到2008年，這個(gè)比重將提高到30%。典型的車(chē)載電子系統包括：防撞擊雷達、自適應巡航控制、輪胎氣壓監測、導航系統、免提式蜂窩電話(huà)和其他的無(wú)線(xiàn)連接，以及利用生物特征參數的接入。

一個(gè)顯著(zhù)的增長(cháng)體現在DVD/HDD 導航系統上。第一部DVD/HDD導航系統是在1997年問(wèn)世的，今年這類(lèi)系統在全球的銷(xiāo)量預計將超過(guò)1,300萬(wàn)臺。對于任何類(lèi)型的電子產(chǎn)品而言，汽車(chē)的環(huán)境仍然是非?？量痰?。要求較大的工作電壓范圍，加上很高的瞬變電壓，溫度變化范圍很大，這些問(wèn)題合在一起，對電子系統提出了巨大的挑戰。此外，對電子系統性能的要求也越來(lái)越高，而且，還需要能夠為系統內的各個(gè)不同部件提供不同的電壓。

現在所生產(chǎn)的大多數汽車(chē)中、高檔汽車(chē)都把DVD全球定位導航系統作為汽車(chē)里的一個(gè)標準設備。然而，要在這樣的系統里設計一個(gè)能夠滿(mǎn)足所有不同電壓要求的電源，其復雜程度和設計一個(gè)筆記本電腦的電源不相上下。一個(gè)典型的導航系統至少需要六種電壓：8V、5V、3.3V、2.5V、1.5V和1.2V。8V電壓是用來(lái)給DVD馬達供電的，它用于帶動(dòng)光盤(pán)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總線(xiàn)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(shí)，元器件的數量卻在不斷地增加，而可用的空間卻越來(lái)越小。由于實(shí)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(lái)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(shí)，就無(wú)法簡(jiǎn)單地用一個(gè)線(xiàn)性穩壓器來(lái)產(chǎn)生這些系統所需要的電壓。于是，在過(guò)去的幾年里，主要是因為在熱量方面的限制，開(kāi)關(guān)穩壓器正漸漸地取代了線(xiàn)性穩壓器。開(kāi)關(guān)穩壓器的好處是：效率較高，尺寸較小，這些好處超過(guò)了它的復雜性和電磁干擾的問(wèn)題。

對于計劃在汽車(chē)導航系統中使用的開(kāi)關(guān)穩壓器來(lái)說(shuō)，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(diǎn)：

● 輸入工作電壓范圍寬；
● 在整個(gè)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(guān)機模式下，靜態(tài)電流都必須很低；
● 熱阻??；
● 噪聲和電磁干擾都很小。

輸入電壓工作范圍寬。任何開(kāi)關(guān)穩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(mǎn)足“冷啟動(dòng)”和“大負載”的要求。它還具有別的好處，即汽車(chē)系統既可以在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(gè)好處是這樣能夠給14V系統留出一個(gè)空間，從而可以把電壓控制在36V到40V這個(gè)范圍內。再者，有了這個(gè)60V的額定電壓，這個(gè)設備將來(lái)也就可以用于新的42V系統。也就是說(shuō)，一個(gè)14V系統的設計可以很容易地升級到42V系統，不必重新做很多設計。

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效率。對于大多數汽車(chē)系統而言，在一個(gè)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(lái)說(shuō)，功率轉換效率預計為85%。當電流很大時(shí)，內部開(kāi)關(guān)必須完全飽和，在一般情況下，在電流為3A時(shí)，功耗為0.1W。為了提高輕載效率，可以降低驅動(dòng)電流，或者讓驅動(dòng)電流與負載電流成比例。此外，還可以通過(guò)一個(gè)偏置引腳給內部控制電路供電，這個(gè)引腳可以用輸出電壓來(lái)供電。這利用了降壓轉換器的功率轉換效率高的優(yōu)點(diǎn)。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100礎，這時(shí)需要從12Ｖ電壓提供的平均輸入電流是30礎。這樣減少了控制電路所需要的電流，從而提高了輕載時(shí)的效率。

靜態(tài)電流小。汽車(chē)系統里的許多產(chǎn)品即使在汽車(chē)停止不動(dòng)的時(shí)候也需要源源不斷地供給電力。對于這些產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，一個(gè)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(gè)設備就一直在正常的開(kāi)關(guān)模式下運作。當電流低于100mA時(shí)，開(kāi)關(guān)穩壓器必須跳過(guò)一些脈沖，維持穩壓作用。在兩個(gè)脈沖之間穩壓器可以進(jìn)入深度休眠模式，在這個(gè)模式下，只對內部的一部分電路供電。在負載電流很小時(shí)，開(kāi)關(guān)穩壓器要自動(dòng)地切換到猝發(fā)模式。在這個(gè)模式下，12V至 3.3V的轉換器的靜態(tài)電流會(huì )下降到100礎以下。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，以監視輸出電壓。在關(guān)機狀態(tài)下，靜態(tài)電流應低于1礎。

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(guò)這個(gè)印刷電路板把這個(gè)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?chē)鷾囟容^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(wèn)題。開(kāi)關(guān)穩壓器產(chǎn)生的噪音比線(xiàn)性穩壓器的大，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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)穩壓器在正常模式下開(kāi)關(guān)頻率是固定的，在開(kāi)和關(guān)時(shí)上升沿和下降沿也很干凈并且可以預測，不存在過(guò)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(gè)穩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，這是系統里的另一個(gè)噪聲源。

顯然，設計和開(kāi)發(fā)這類(lèi)開(kāi)關(guān)穩壓器并不是件簡(jiǎn)單的事情。然而，最新的一個(gè)高壓直流-直流轉換器的例子是電壓可以達到60V的降壓開(kāi)關(guān)穩壓器單片集成電路。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(shí)，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100礎，適合輸入電壓為12V至3.3V的產(chǎn)品。這個(gè)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(zhuān)利權的電路，在占空比為任何數值時(shí)保持開(kāi)關(guān)中的峰值電流恒定。它的開(kāi)關(guān)頻率是固定的200kHz，此外，這個(gè)產(chǎn)品可以同更高的頻率同步。在整個(gè)汽車(chē)的溫度范圍內，它的穩壓性能很好，并且提供電源正常信號/復位、軟啟動(dòng)和 UVLO功能。這個(gè)電路是一個(gè)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(chē)使用。

盡管汽車(chē)導航系統的設計非常復雜，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”穩壓器浪潮，它結合了大量必不可少的功能，把系統工程師從繁重的電源設計工作中解放出來(lái)。