汽車(chē)信息娛樂(lè )系統對電源供電的需求分析

　　隨著(zhù)汽車(chē)中使用的電子元件數量不斷快速增多，我們可以預期電源轉換集成電路會(huì )面臨更多設計挑戰：

　　有些器件需要穩定的電壓輸入、低靜態(tài)電流和低噪聲，而另一些器件則需要為滿(mǎn)足LED照明等特定應用的需求而專(zhuān)門(mén)定制，所有器件都需要占板面積更小、效率盡可能高。

　　汽車(chē)中每年都在不斷增加越來(lái)越復雜的電子系統。市場(chǎng)調查公司IC Insights預計，2008年汽車(chē)半導體市場(chǎng)將從2005年的125億美元增長(cháng)到超過(guò)181億美元。另一家市場(chǎng)調查公司 Strategy Analytics 對這個(gè)市場(chǎng)的看法也同樣樂(lè )觀(guān)：今天，在汽車(chē)總成本中，電子系統成本所占比重超過(guò)20%，到2008年這個(gè)比重將超過(guò)30%。汽車(chē)中安裝的電子系統包括信息娛樂(lè )系統、發(fā)動(dòng)機管理、防撞雷達、衛星無(wú)線(xiàn)電設備和電視、免提蜂窩電話(huà)以及其它無(wú)線(xiàn)連接系統。這些系統過(guò)去常常只出現在歐洲“高檔”豪華型汽車(chē)中，但是現在卻正在集成到更多“主流”汽車(chē)中，這使得汽車(chē)集成電路市場(chǎng)的增長(cháng)更加快。

　　增長(cháng)最明顯的領(lǐng)域之一是基于DVD/HDD的信息娛樂(lè )系統，這些系統是大多數中高檔汽車(chē)的標準配置。這類(lèi)系統于1997年首次推出，2006年全球銷(xiāo)量預計將超過(guò) 1500萬(wàn)部。這種信息娛樂(lè )系統至少包括導航系統、AM/FM收音機和CD播放器，但是現在越來(lái)越多的系統增加了具有多個(gè)輸出的DVD播放器、衛星無(wú)線(xiàn)電設備，甚至在某些情況下還增加了衛星電視。這些系統年復年地變得越來(lái)越復雜，還增加了面朝后的汽車(chē)攝像機、遇險通信系統、藍牙兼容免提蜂窩電話(huà)等選項。

　　同時(shí)，這些系統中的元件數也在增多，而可用空間卻在不斷縮小。因此，任何實(shí)用的散熱器都太大，系統無(wú)法容納。這樣一來(lái)，由于空間限制和工作溫度要求，電源轉換效率就成了關(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，簡(jiǎn)單使用線(xiàn)性穩壓器產(chǎn)生這類(lèi)系統所用電壓都不再可行了，因為產(chǎn)生的熱量太多。因此，主要由于熱限制，開(kāi)關(guān)穩壓器正在取代線(xiàn)性穩壓器。開(kāi)關(guān)穩壓器的高效率、小占板面積等好處與附帶的復雜性和EMI問(wèn)題相比，還是利大于弊的。

　　這些復雜的系統需要在可靠和緊湊的布局中有大量電壓軌，為這樣的系統設計開(kāi)關(guān)電源給電源集成電路設計帶來(lái)了新的挑戰。圖1說(shuō)明了今天的信息娛樂(lè )系統的復雜性。

圖1：現代信息娛樂(lè )系統

　　典型的信息娛樂(lè )系統可能有 8 個(gè)或更多不同的電源，如8.5V(在歐洲是 8.5V，在日本是 9.5V)、5V、3.3V、2.5V、1.5V和1.2V。8V用作DVD電機電源，用于旋轉盤(pán)片，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)，通常都需要提供2A至3A電流。2.5V電源軌用于存儲器和I/O，1A至2A電流足夠了。1.5V和1.2V電源軌分別用于為CPU和DSP內核供電。這兩種電壓軌的功率級通常在3W至5W 之間。

　　除了這些較高電流的應用，也需要較低功率級(低于1W)用于主TFT-LCD顯示器(一般為7英寸至10英寸)以及攝像機CCD的偏置。還需要一個(gè)5W至10W的功率級用于TFT-LCD顯示器的白光LED背光照明。

　　由于要滿(mǎn)足所有這些功率需求，因此在大多數信息娛樂(lè )系統中可以發(fā)現多種開(kāi)關(guān)穩壓器。在比較有利的電氣環(huán)境中，可使用便攜產(chǎn)品所用的開(kāi)關(guān)穩壓器。不過(guò)，有些電源集成電路面對的是苛刻得多的電氣環(huán)境，這帶來(lái)了很大的設計挑戰。例如，無(wú)論何時(shí)，只要電源軌直接產(chǎn)生于電池/充電系統，就要求寬輸入電壓范圍來(lái)滿(mǎn)足電壓擺幅極大的要求。如果特定系統需要保持“始終接通”狀態(tài)，那么最重要的是要具有最低靜態(tài)電流。類(lèi)似地，開(kāi)關(guān)頻率接近AM/RF/GPS電路頻率的開(kāi)關(guān)穩壓器集成電路一定不要對這些頻帶產(chǎn)生干擾。用于TFT-LCD背光照明的LED 驅動(dòng)器集成電路必須具有寬調光范圍，以補償最輕微的環(huán)境光線(xiàn)變化。最后，所有 DC/DC 轉換器都要盡可能小，以適合緊湊的布局，還要盡可能高的效率，以消除對散熱器的需求。

　　用電池供電

　　不管信息娛樂(lè )系統中有什么樣的應用或子系統，電源最初都是來(lái)自汽車(chē)電池和充電系統。然而，汽車(chē)電池或充電系統剛好是電氣環(huán)境最苛刻的地方。就電源集成電路以及由這些集成電路供電的子系統而言，主要關(guān)注兩種情況：負載突降和冷車(chē)發(fā)動(dòng)。

　　1．負載突降(60V瞬態(tài)保護)：

　　“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。圖 2 顯示了由負載突降引起的典型電壓瞬態(tài)。在交流發(fā)電機試圖全力充電時(shí)突然斷接可能產(chǎn)生高達80V的瞬態(tài)電壓尖峰。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。不過(guò)，交流發(fā)電機的下游器件主端DC/DC轉換器可能仍然要承受 60V 的瞬態(tài)電壓尖峰。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)生期間和發(fā)生以后要正常工作，因此DC/DC轉換器能夠處理這些高壓(60V 至 100VMAX)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。凌特公司的幾款高壓開(kāi)關(guān)穩壓器，如LT3433、LT3434/5、LT1976/7和LT3437/8，能夠承受高達80V的瞬態(tài)電壓，同時(shí)保持輸出穩壓，不對系統性能或可靠性造成影響。一般情況下，這些穩壓器是降壓型或降壓-升壓型的，可經(jīng)受由充電/電池系統中斷引起的汽車(chē)電池和交流發(fā)電機的電壓改變。

圖2：負載突降和冷車(chē)發(fā)動(dòng)的輸入/輸出電壓隨時(shí)間的變化

　　總之：負載突降瞬態(tài)是由正在充電的電池意外斷接引起的電壓尖峰；負載突降瞬態(tài)規格為36V至80V，但是取決于具體使用的是哪一代電源以及所用的控制方法；如果不加抑制，負載突降瞬態(tài)能損壞電源總線(xiàn)上的很多電子元件。

　　2．冷車(chē)發(fā)動(dòng)(4.5V至超過(guò)60V的輸入瞬態(tài))：

　　“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，而這又需要電池提供更大的電流。這種大電流負載能在啟動(dòng)時(shí)將電池/主端總線(xiàn)電壓拉低至 4V，之后，電壓一般會(huì )返回到標稱(chēng)的13.8V。圖2用圖形表述了在冷車(chē)發(fā)動(dòng)時(shí)電壓隨時(shí)間變化的情況。問(wèn)題是，某些子系統在整個(gè)冷車(chē)發(fā)動(dòng)過(guò)程中需要非常恒定的穩定輸出。這些應用一般用 3.3V 電壓工作，包括發(fā)動(dòng)機控制單元（ECU）以及對汽車(chē)安全和可靠工作至關(guān)重要的環(huán)境和應急系統等。

　　任何直接連接到電池上的開(kāi)關(guān)穩壓器都需要規定在3至60V的寬輸入電壓范圍內工作，以確保滿(mǎn)足冷車(chē)發(fā)動(dòng)和負載突降情況的要求。此外，60V額定值為14V系統提供了極好的裕度，這些系統常常箝位到36V至40V的范圍。滿(mǎn)足上述要求的器件包括LT3430和LT3431，這兩款器件適用于需要高達2.5A 輸出電流的應用，以及滿(mǎn)足1.25A電流要求的LT1766和LT1767。