汽車導(dǎo)航系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

　現(xiàn)代汽車不斷增加越來越復(fù)雜的電子系統(tǒng)。市場(chǎng)調(diào)研公司 Allied Business Intelligence 預(yù)測(cè)，到 2007 年，汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)將增長(zhǎng)到一年超過 170 億美元，而去年這一市場(chǎng)為 123 億美元。另一家市場(chǎng)調(diào)研公司 Strategy Analytics 也持有同樣樂觀的看法：目前在一般的汽車中，電子系統(tǒng)成本占總成本的 20% 多，但是到 2008 年，這一比例將增長(zhǎng)到超過 30%。防撞雷達(dá)、自適應(yīng)巡航控制、輪胎壓力監(jiān)視、導(dǎo)航系統(tǒng)、免提蜂窩電話和其它無線連接以及生物識(shí)別訪問系統(tǒng)都是這些電子系統(tǒng)的具體例子。

　　不過，一個(gè)有極大增長(zhǎng)的領(lǐng)域是基于 DVD/HDD 的導(dǎo)航系統(tǒng)。這類系統(tǒng) 1997 年推出，預(yù)計(jì) 2005 年全球銷量將超過 1300 萬臺(tái)。就任何類型的電子產(chǎn)品而言，汽車應(yīng)用環(huán)境都一直是非常嚴(yán)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(tǒng)很大的難題。更嚴(yán)重的是，性能要求不斷增高，而且系統(tǒng)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(shù)中高檔汽車都將基于 DVD 的GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備提供。然而，設(shè)計(jì)一個(gè)處理這類系統(tǒng)中所有不同電壓軌的電源可能像為筆記本 PC 設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)一樣復(fù)雜。一般的導(dǎo)航系統(tǒng)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(zhuǎn)光盤的 DVD 電動(dòng)機(jī)供電，這通常需要高達(dá) 2A 的峰值電流。5V 和 3.3V 電源軌一般用于系統(tǒng)總線，通常需要分別提供 2A ~ 3A 的電流。存儲(chǔ)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(nèi)核和 DSP 內(nèi)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(nèi)置導(dǎo)航系統(tǒng)的汽車內(nèi)部情況。

　　同時(shí)，隨著這些系統(tǒng)中的組件數(shù)增多，可用空間也越來越小了。因此，既然任何實(shí)際的散熱系統(tǒng)都太大，無法輕易容納到電子系統(tǒng)中，那么在空間限制和工作溫度范圍這些先決條件下，轉(zhuǎn)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)單地用線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生這些系統(tǒng)電壓不再有實(shí)際意義。因此，在過去幾年中，主要由于熱量限制，開關(guān)穩(wěn)壓器一直在不斷地取代線性穩(wěn)壓器。開關(guān)的好處包括效率提高和占板面積減小，與額外的復(fù)雜性和 EMI 問題相比，還是利大于弊的。

　　考慮到這些限制因素，一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器用于汽車導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)，需要具有以下特點(diǎn)：

　　● 寬輸入工作范圍

　　● 在寬負(fù)載范圍內(nèi)的高效率

　　● 在正常工作、備用和停機(jī)時(shí)具有低靜態(tài)電流

　　● 低熱阻

　　● 噪聲和 EMI 輻射最低

　　● 負(fù)載突降抗毀性

　　讓我們來更詳細(xì)地逐一考慮這些重要特性。

寬輸入工作范圍

　　任何開關(guān)穩(wěn)壓器都需要規(guī)定工作在 3V~60V的寬輸入電壓范圍，以確保滿足“冷車發(fā)動(dòng)”和“負(fù)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：允許這些汽車系統(tǒng)在14V或42V電壓上工作。而且，60V額定值為14V系統(tǒng)提供了良好的裕度，這種系統(tǒng)通常箝位在36V~40V的范圍。

效率

　　在大多數(shù)汽車系統(tǒng)中，寬負(fù)載范圍內(nèi)的高效率電源轉(zhuǎn)換都是極其重要的。例如，在10mA ~ 2.5A的負(fù)載范圍內(nèi)，5V輸出希望的電源轉(zhuǎn)換效率大約為 85%。在大電流時(shí)，內(nèi)部開關(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(fù)載時(shí)的效率，要降低驅(qū)動(dòng)電流或者讓驅(qū)動(dòng)電流與負(fù)載電流成正比。內(nèi)部控制電路也可以通過偏置引腳供電，而偏置引腳可以由輸出供電。這利用了降壓轉(zhuǎn)換器的電源轉(zhuǎn)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(fù)載時(shí)的效率。

低靜態(tài)電流

　　有很多汽車系統(tǒng)應(yīng)用需要連續(xù)功率，甚至在汽車停車后也是這樣。這些應(yīng)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(yīng)用設(shè)備會(huì)一直以正常的連續(xù)開關(guān)模式工作。低于這一電流值以后，開關(guān)穩(wěn)壓器必須進(jìn)行脈沖跳躍以維持穩(wěn)定電壓。穩(wěn)壓器在脈沖之間可以進(jìn)入休眠模式，在這種模式中，只對(duì)部分內(nèi)部電路供電。在輕負(fù)載電流時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器需要自動(dòng)切換到突發(fā)模式工作。就 12V~3.3V 的轉(zhuǎn)換器而言，在這種模式中，靜態(tài)電流應(yīng)該降至低于100mA。內(nèi)部基準(zhǔn)和電源良好電路在休眠模式時(shí)將保持運(yùn)行以監(jiān)視輸出電壓。靜態(tài)電流在停機(jī)時(shí)應(yīng)該低于1mA。

低熱阻

　　理想情況下，節(jié)點(diǎn)至外殼的熱阻應(yīng)該較低。如果器件的底面是露銅的并焊接到PC板表面，那么PC板可將熱量從器件中傳導(dǎo)出去?，F(xiàn)在常用具有內(nèi)部電源平面 的 4 層電路板可以實(shí)現(xiàn)40℃/W 范圍內(nèi)的熱阻。對(duì)金屬外殼熱量有良好傳導(dǎo)作用的高環(huán)境溫度應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)的熱阻接近10℃/W的典型節(jié)點(diǎn)至外殼熱阻。這有助于擴(kuò)大有用的工作溫度范圍。