汽車(chē)電源集成電路的新應用與新挑戰

　　引言

　　汽車(chē)中每年都在不斷增加日益復雜的電子系統，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氣體排放。市場(chǎng)調查公司IC Insights預計在2008年汽車(chē)半導體市場(chǎng)將增長(cháng)到181億美元以上，而2006年這一市場(chǎng)為140億美元。另一家市場(chǎng)調查公司 Strategy Analytics 也做出了同樣樂(lè )觀(guān)的預測：“今天，就一般的汽車(chē)而言，電子系統成本占總成本的22%以上，不過(guò)到2008年，這一比例將提高到30%以上。” 信息娛樂(lè )系統、行車(chē)安全保障系統、發(fā)動(dòng)機管理、衛星無(wú)線(xiàn)電設備和電視機、LED照明、免提蜂窩電話(huà)以及其他無(wú)線(xiàn)連接系統都是這類(lèi)電子系統的例子。5年前，這類(lèi)系統僅出現在歐洲“高檔”豪華型汽車(chē)中，但是現在這些系統正在集成到所有制造商的中檔汽車(chē)中，這使得汽車(chē)集成電路市場(chǎng)的增長(cháng)更快了。

　　發(fā)動(dòng)機控制管理是對汽車(chē)集成電路市場(chǎng)起到推動(dòng)作用的電子應用之一。全球尾氣排放標準一年比一年嚴格，單位油量里程數要求在提高，客戶(hù)則需要更高的性能。這些要求以前是相互制約的，但是現在汽車(chē)制造商采用了“智能”發(fā)動(dòng)機控制系統、大量傳感器和一些 DSP，可以實(shí)現更高的發(fā)動(dòng)機效率，同時(shí)能讓發(fā)動(dòng)機以更干凈的方式運轉。電子產(chǎn)品在行車(chē)安全保障、環(huán)境氣氛控制、照明、導航和無(wú)線(xiàn)連接以及底盤(pán)控制系統中也掀起了類(lèi)似的革命?？傊?，這些新型系統提高了安全性、性能和駕駛員的舒適度，并減輕了對環(huán)境的污染。

　　隨著(zhù)汽車(chē)系統中電子元件數量的增加，可用空間不斷縮小，這極大地提高了每個(gè)系統的電子元件密度。所有這些系統都需要電源轉換集成電路，通常需要多種電壓軌以滿(mǎn)足每個(gè)子系統的需求。在效率和小尺寸不是最重要的考慮因素時(shí)，線(xiàn)性穩壓器一度用來(lái)完成大多數電源轉換任務(wù)。但是隨著(zhù)電源密度提高了一個(gè)量級，以及很多應用需要相對高的環(huán)境溫度，任何有實(shí)際意義的散熱器都顯得太大而無(wú)法使用了。因此，由于空間限制和工作溫度范圍要求，電源轉換效率成了關(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時(shí)，簡(jiǎn)單使用線(xiàn)性穩壓器來(lái)產(chǎn)生這些系統電壓都不再有任何實(shí)際意義，因為這樣會(huì )產(chǎn)生太多熱量。受到這些限制的結果是，開(kāi)關(guān)穩壓器正在取代線(xiàn)性穩壓器。效率提高、占板面積減小等開(kāi)關(guān)穩壓器的好處勝過(guò)了設計復雜性提高、需考慮 EMI 問(wèn)題等弊端。

　　本文的主要目的是研究這些新型汽車(chē)電源集成電路怎樣才能滿(mǎn)足一個(gè)電氣和熱限制都很苛刻的環(huán)境提出的所有這些新需求。

　　“始終接通”系統需要低電源電流

　　除了會(huì )遇到負載突降和冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況，很多電子子系統還需要工作在消耗最低電流的備用模式。在大多數導航、行車(chē)安全保障、車(chē)輛安全和發(fā)動(dòng)機管理電源系統中，都有這種以備用除了會(huì )遇到負載突降和冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況，很多電子子系統還需要工作在消耗最低電流的備用模式。在大多數導航、行車(chē)安全保障、車(chē)輛安全和發(fā)動(dòng)機管理電源系統中，都有這種以備用模式工作的電路。每個(gè)子系統都采用幾個(gè)微處理器和微控制器。實(shí)際上，大多數豪華型汽車(chē)都有 60~100 個(gè)這樣的 DSP。大多數 DSP 都以?xún)煞N不同的模式工作。首先，當汽車(chē)運行時(shí)，這些 DSP 一般以電池饋送的滿(mǎn)電流工作，并對系統充電。但是當汽車(chē)點(diǎn)火系統關(guān)閉時(shí)，這些微處理器中有很多必須保持“有效”，因此仍然消耗電池電流。由于導航、車(chē)輛安全、環(huán)境氣氛控制和發(fā)動(dòng)機管理系統可能需要 30 多個(gè)這類(lèi)始終保持接通的處理器，因此，即使點(diǎn)火系統關(guān)閉了，對電池仍然有功率需求，而且這種需求在不斷增大。為這些始終保持接通的處理器供電所需的總電源電流可能達到幾百毫安，這有可能在幾天之內徹底耗盡電池電量。例如，出差兩到三周以后，一輛豪華汽車(chē)的電池可能已經(jīng)無(wú)法啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機了。這些電源的靜態(tài)電流需要大幅降低，這樣才能不用大量增加這些電子系統的尺寸或復雜性，就能節省電池電量。直到最近，高輸入電壓和低靜態(tài)電流一直是 DC/DC 轉換器的兩個(gè)相互制約的參數。如果一輛汽車(chē)的高壓降壓型轉換器每個(gè)需要 2~10mA 的電源電流，那么幾個(gè)這樣的轉換器加上 ABS 剎車(chē)、電動(dòng)開(kāi)窗等其它大量必須始終保持接通的系統，所產(chǎn)生的漏電流可能消耗極多的電池電量。

　　為了更好地控制這些需求，幾家汽車(chē)制造商為始終保持接通的 DC/DC 轉換器確定了 100mA 的低靜態(tài)電流目標。直到最近，一直要求系統制造商給降壓型穩壓器并聯(lián)一個(gè)低靜態(tài)電流 LDO，每次汽車(chē)點(diǎn)火裝置關(guān)閉后，都要從轉換器切換到電流低得多的 LDO。這樣的解決方案昂貴、笨重且效率相對較低。凌力爾特公司提供了 36V~60V 輸入、<100mA 的降壓型 DC/DC 轉換器，如表 1 所示。能以突發(fā)模式(Burst Mode)工作的開(kāi)關(guān)穩壓器可組成緊湊得多、效率也高得多的解決方案，可解決始終保持接通帶來(lái)的問(wèn)題。

　　負載突降和冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況

　　負載突降是交流發(fā)電機正在給電池充電而電池電纜斷接時(shí)出現的情況。在汽車(chē)正在工作時(shí)電池電纜松動(dòng)或汽車(chē)運轉時(shí)電池電纜斷裂，都可能發(fā)生負載突降情況。在交流發(fā)電機試圖全力充電時(shí)電池電纜突然斷接，可能產(chǎn)生高達60V的瞬態(tài)電壓尖峰(見(jiàn)圖1和圖2中的36V和60V瞬態(tài)圖形)。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36V到60V之間，并吸收大部分浪涌電流。不過(guò)，交流發(fā)電機的下游器件DC/DC轉換器要承受這些36V至60V的瞬態(tài)尖峰。由于這些轉換器和由轉換器供電的子系統在這種瞬態(tài)事件發(fā)生期間不能損壞，而且在某些情況下還要穩定輸出電壓，因此DC/DC轉換器能夠處理這些高壓瞬態(tài)是至關(guān)重要的?？梢栽谕獠繉?shí)現各種保護電路(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。

　　冷車(chē)發(fā)動(dòng)是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機在寒冷或冰凍溫度下度過(guò)一段時(shí)間后發(fā)生的情況。這時(shí)機油變得非常黏稠，需要發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)器提供更大的扭轉力，而這就需要電池提供更大的電流。這種大電流負載能在點(diǎn)火時(shí)將電池/主端總線(xiàn)電壓拉至低于4.0V，之后，電壓一般會(huì )返回到標稱(chēng)的12V至13.8V電壓(見(jiàn)圖1)。對某些應用，如發(fā)動(dòng)機控制、行車(chē)安全保障和導航系統，當務(wù)之急是需要一個(gè)非常穩定的輸出電壓(通常是3.3V)，以在冷車(chē)發(fā)動(dòng)時(shí)平滑工作。

　　有多種解決方案

　　根據輸出電流和瞬態(tài)保護要求的不同，凌力爾特公司提供幾種可以在冷車(chē)發(fā)動(dòng)和負載突降情況下正常工作并需要低于 100mA 靜態(tài)電流(見(jiàn)表 1)的開(kāi)關(guān)穩壓器。具有高達 60V 輸入瞬態(tài)保護的 2A、38V 降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器 LT3480 就是一個(gè)很好的例子。其突發(fā)模式工作在無(wú)負載備用情況下可保持靜態(tài)電流低于 70mA。

　　LT3480 的 3.6V 至 38V 輸入電壓范圍和 60V 的瞬態(tài)保護使其非常適合汽車(chē)應用中的負載突降和冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況。在圖 1 中，LT3480 提供 3.3V 穩定輸出，可承受 36V 瞬態(tài)。在圖 2 中，LT3480 實(shí)際上在高于 41.5V 時(shí)將自己關(guān)斷，以保護自身和下游電路。瞬態(tài)電壓降至低于 38V 時(shí)，LT3480 會(huì )回到穩壓狀態(tài)。

　　LT3480 的 3A 內部開(kāi)關(guān)可以在電壓低至 0.79V 時(shí)提供高達 2A 的連續輸出電流。該器件以突發(fā)模式工作時(shí)具有僅為 70mA 的無(wú)負載靜態(tài)電流(見(jiàn)圖 3)，非常適合汽車(chē)或電信系統應用，這些應用需要始終保持接通工作和最長(cháng)的電池工作時(shí)間。開(kāi)關(guān)頻率在 200kHz 至 2.4MHz 范圍內是用戶(hù)可編程的，使設計師能夠優(yōu)化效率，同時(shí)避開(kāi)關(guān)鍵的噪聲敏感頻段。其 3mm x 3mm DFN-10 封裝(或耐熱增強型 MSOP-10E 封裝)和高開(kāi)關(guān)頻率允許使用小型外部電感器和電容器，從而可組成占板面積非常緊湊和傳熱效率很高的解決方案。

　　LT3480 采用高效率 3A、0.25Ω開(kāi)關(guān)，單芯片中集成了必需的升壓二極管、振蕩器、控制和邏輯電路。低紋波突發(fā)模式工作在低輸出電流時(shí)保持高效率，同時(shí)保持輸出紋波低于 15mVPK-PK。特殊設計方法和新型高壓工藝在寬輸入電壓范圍內實(shí)現了高效率，同時(shí)其電流模式拓撲實(shí)現了快速瞬態(tài)響應和卓越的環(huán)路穩定性。其它特點(diǎn)包括外部同步(250kHz至2MHz)、電源良好標記和軟啟動(dòng)功能。

　　汽車(chē)環(huán)境中的熱限制

　　在汽車(chē)應用中，除了苛刻的電氣環(huán)境，熱環(huán)境也具有同樣的挑戰性。由于越來(lái)越多的電子產(chǎn)品正在擠占車(chē)內寶貴的公共空間資源，因而使得熱管理變得至關(guān)重要。引擎罩內應用通常要求 125 ℃或更高的環(huán)境溫度，而主要的電子產(chǎn)品“資源”(比如：導航/信息娛樂(lè )系統、測量?jì)x器)則面臨著(zhù)散熱問(wèn)題的挑戰，因為它們均靠近汽車(chē)防火墻(這里的環(huán)境溫度很高)，并具有非常高的電子元件安裝密度。所有電子產(chǎn)品都以熱量形式消耗一定量的功率。在電源轉換器中管理熱量的關(guān)鍵是最大限度地提高每個(gè)轉換器的效率，這樣就最大限度地降低了以熱量形式損耗的功率。這是過(guò)去幾年用開(kāi)關(guān)穩壓器取代 LDO 的原因之一。

　　在汽車(chē)應用中，除了苛刻的電氣環(huán)境，熱環(huán)境也具有同樣的挑戰性。由于越來(lái)越多的電子產(chǎn)品正在擠占車(chē)內寶貴的公共空間資源，因而使得熱管理變得至關(guān)重要。引擎罩內應用通常要求 125 ℃或更高的環(huán)境溫度，而主要的電子產(chǎn)品“資源”(比如：導航/信息娛樂(lè )系統、測量?jì)x器)則面臨著(zhù)散熱問(wèn)題的挑戰，因為它們均靠近汽車(chē)防火墻(這里的環(huán)境溫度很高)，并具有非常高的電子元件安裝密度。所有電子產(chǎn)品都以熱量形式消耗一定量的功率。在電源轉換器中管理熱量的關(guān)鍵是最大限度地提高每個(gè)轉換器的效率，這樣就最大限度地降低了以熱量形式損耗的功率。這是過(guò)去幾年用開(kāi)關(guān)穩壓器取代 LDO 的原因之一。

　　除了器件效率，每個(gè)電源轉換器件的封裝要有很高的傳熱效率，以更好地將熱量從集成電路中傳導出去，這也很重要。凌力爾特公司的汽車(chē)應用專(zhuān)用器件采用傳熱效率最高的封裝。DFN 以及 MSOP 和 TSSOP 等無(wú)引線(xiàn)封裝全部采用耐熱增強型設計，這些封裝的底部有導熱焊盤(pán)，這使熱阻減少了 2 倍多。

　　為了滿(mǎn)足最苛刻的高溫應用需求 (比如：引擎罩內的應用)，凌力爾特公司推出了 H 級轉換器系列，視具體器件而定，這個(gè)系列的器件可在 140℃或 150℃的結溫下工作。表 2 全面反映了這個(gè)系列器件的性能。轉換拓撲包括 LDO、高壓?jiǎn)纹_(kāi)關(guān)穩壓器和控制器。



　　例如：一個(gè)應用以 12V 輸入工作，產(chǎn)生穩定的 5V 電壓同時(shí)提供 1A 輸出電流，這時(shí) LDO 的效率僅為 41%，浪費 7W 功率，這樣即使在 80℃時(shí)就需要一個(gè)很大的散熱器，以防止過(guò)熱導致故障。而開(kāi)關(guān)穩壓器(如圖 4 中的 LT3480)能以 90% 的效率工作，外部?jì)H消耗 0.5W 功率。其 TSSOP-16E 封裝的 qJA 為 45℃/W，那么這一功耗數字代表溫度上升 22.5℃，這使得工業(yè)級器件(125℃)可用于溫度為 102.5℃ 的環(huán)境，而 H 級額定溫度的器件可用于溫度為 137.5℃的環(huán)境。

　　結語(yǔ)

　　汽車(chē)中專(zhuān)用電子子系統在迅速增多，因此對汽車(chē)應用中的電源集成電路產(chǎn)生了苛刻的性能要求。視電源在汽車(chē)電源總線(xiàn)上位置的不同，電源可能遇到負載突降和冷車(chē)發(fā)動(dòng)以及高環(huán)境溫度問(wèn)題。另外，有些系統需要在備用模式下始終保持接通的環(huán)境工作，這需要最大限度地減小電源電流。隨著(zhù)汽車(chē)中電子系統的不斷增多，最大限度地縮小解決方案占板面積，同時(shí)又最大限度地提高傳熱效率也是至關(guān)重要的。幸運的是，一些電源集成電路設計師已經(jīng)設計出滿(mǎn)足這些需求的解決方案，為將來(lái)在汽車(chē)中增加更多的電子系統鋪平了道路。