基于開(kāi)關(guān)穩壓器的汽車(chē)導航系統電源設計

　　現代汽車(chē)不斷增加越來(lái)越復雜的電子系統。市場(chǎng)調研公司 Allied Business Intelligence 預測，到 2007 年，汽車(chē)半導體市場(chǎng)將增長(cháng)到一年超過(guò) 170 億美元，而去年這一市場(chǎng)為 123 億美元。另一家市場(chǎng)調研公司 Strategy Analytics 也持有同樣樂(lè )觀(guān)的看法：目前在一般的汽車(chē)中，電子系統成本占總成本的 20% 多，但是到 2008 年，這一比例將增長(cháng)到超過(guò) 30%。防撞雷達、自適應巡航控制、輪胎壓力監視、導航系統、免提蜂窩電話(huà)和其它無(wú)線(xiàn)連接以及生物識別訪(fǎng)問(wèn)系統都是這些電子系統的具體例子。

　　不過(guò)，一個(gè)有極大增長(cháng)的領(lǐng)域是基于 DVD/HDD 的導航系統。這類(lèi)系統 1997 年推出，預計 2005 年全球銷(xiāo)量將超過(guò) 1300 萬(wàn)臺。就任何類(lèi)型的電子產(chǎn)品而言，汽車(chē)應用環(huán)境都一直是非常嚴酷的，這并不讓人感到意外。寬工作電壓范圍要求加上高瞬態(tài)電壓和大的溫度變化給電子系統很大的難題。更嚴重的是，性能要求不斷增高，而且系統不同的部分需要多種不同的電源電壓。

　　今天生產(chǎn)的大多數中高檔汽車(chē)都將基于 DVD 的GPS 導航系統作為標準設備提供。然而，設計一個(gè)處理這類(lèi)系統中所有不同電壓軌的電源可能像為筆記本 PC 設計電源系統一樣復雜。一般的導航系統可能有 6 個(gè)或更多不同的電源，這包括 8V、5V、3.3V、2.5V、1.5V 和 1.2V 電源。8V 用于為旋轉光盤(pán)的 DVD 電動(dòng)機供電，這通常需要高達 2A 的峰值電流。5V 和 3.3V 電源軌一般用于系統總線(xiàn)，通常需要分別提供 2A ~ 3A 的電流。存儲器和 I/O 都需要 2.5V 電源軌，因此 1A ~ 2A 的電流足夠了。1.5V 和 1.2V 電源軌分別用于為 CPU 內核和 DSP 內核供電。這兩個(gè)軌的功率通常分別為 3W~5W。圖1顯示了具有內置導航系統的汽車(chē)內部情況。

　　同時(shí)，隨著(zhù)這些系統中的組件數增多，可用空間也越來(lái)越小了。因此，既然任何實(shí)際的散熱系統都太大，無(wú)法輕易容納到電子系統中，那么在空間限制和工作溫度范圍這些先決條件下，轉換效率就變得更關(guān)鍵了。在低輸出電壓和甚至高于幾百毫安的中等電流時(shí)，簡(jiǎn)單地用線(xiàn)性穩壓器產(chǎn)生這些系統電壓不再有實(shí)際意義。因此，在過(guò)去幾年中，主要由于熱量限制，開(kāi)關(guān)穩壓器一直在不斷地取代線(xiàn)性穩壓器。開(kāi)關(guān)的好處包括效率提高和占板面積減小，與額外的復雜性和 EMI 問(wèn)題相比，還是利大于弊的。

考慮到這些限制因素，一個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器用于汽車(chē)導航系統時(shí)，需要具有以下特點(diǎn)：

　　● 寬輸入工作范圍

　　● 在寬負載范圍內的高效率

　　● 在正常工作、備用和停機時(shí)具有低靜態(tài)電流

　　● 低熱阻

　　● 噪聲和 EMI 輻射最低

　　● 負載突降抗毀性

　　讓我們來(lái)更詳細地逐一考慮這些重要特性。

寬輸入工作范圍

　　任何開(kāi)關(guān)穩壓器都需要規定工作在 3V~60V的寬輸入電壓范圍，以確保滿(mǎn)足“冷車(chē)發(fā)動(dòng)”和“負載突降”情況的要求。寬輸入電壓范圍還有一個(gè)附加的好處：允許這些汽車(chē)系統在14V或42V電壓上工作。而且，60V額定值為14V系統提供了良好的裕度，這種系統通常箝位在36V~40V的范圍。
效率

　　在大多數汽車(chē)系統中，寬負載范圍內的高效率電源轉換都是極其重要的。例如，在10mA ~ 2.5A的負載范圍內，5V輸出希望的電源轉換效率大約為 85%。在大電流時(shí)，內部開(kāi)關(guān)需要有良好的飽和度，一般在 3A 時(shí)為 0.1Ω。為了提高輕負載時(shí)的效率，要降低驅動(dòng)電流或者讓驅動(dòng)電流與負載電流成正比。內部控制電路也可以通過(guò)偏置引腳供電，而偏置引腳可以由輸出供電。這利用了降壓轉換器的電源轉換效率。實(shí)際上，這個(gè)偏置電流是從輸出而不是輸入獲得的，這就按照輸出與輸入電壓比降低了控制電路所需的輸入電源電流。例如，一個(gè)在3.3V時(shí)為100mA 的輸出電流在12V時(shí)僅需要平均 30mA 的輸入電流。這最大限度地降低了控制電路所需的輸入電流，并提高了輕負載時(shí)的效率。

低靜態(tài)電流

　　有很多汽車(chē)系統應用需要連續功率，甚至在汽車(chē)停車(chē)后也是這樣。這些應用的一個(gè)關(guān)鍵要求是低靜態(tài)電流。在輸出電流降至低于大約 100mA 之前，這種應用設備會(huì )一直以正常的連續開(kāi)關(guān)模式工作。低于這一電流值以后，開(kāi)關(guān)穩壓器必須進(jìn)行脈沖跳躍以維持穩定電壓。穩壓器在脈沖之間可以進(jìn)入休眠模式，在這種模式中，只對部分內部電路供電。在輕負載電流時(shí)，開(kāi)關(guān)穩壓器需要自動(dòng)切換到突發(fā)模式工作。就 12V~3.3V 的轉換器而言，在這種模式中，靜態(tài)電流應該降至低于100mA。內部基準和電源良好電路在休眠模式時(shí)將保持運行以監視輸出電壓。靜態(tài)電流在停機時(shí)應該低于1mA。