汽車導航系統(tǒng)的DC/DC轉(zhuǎn)換器選擇指南
汽車環(huán)境的寬工作電壓要求、大瞬變電壓以及大溫度漂移等因素共同作用下,電子系統(tǒng)面臨著嚴酷的條件,本文介紹如何在性能要求變得愈加苛刻的條件下,設(shè)計多個電源電壓以滿足汽車電子系統(tǒng)不同部分的要求。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/196946.htm目前生產(chǎn)的大多數(shù)中高檔汽車都配置了基于DVD的GPS導航系統(tǒng)作為標準設(shè)備(圖1)。然而可以證實,如果想設(shè)計一個用于控制此類系統(tǒng)內(nèi)不同電壓軌的電源,其復(fù)雜程度絲毫不亞于設(shè)計筆記本電腦用的電源系統(tǒng)。一個標準的汽車導航系統(tǒng)有可能具有6個或更多的電源,包括8V、5V、3.3V、2.5V、1.5V和1.2V。8V電源用于給使光盤旋轉(zhuǎn)的DVD電機供電;這常常需要高達2A的峰值電流。5V和3.3V電源軌通常為系統(tǒng)總線,一般要求各提供2A~3A的電流。2.5V電源軌用于存儲器和I/O,因此輸送1A~2A的電流便足夠了。1.5V和1.2V電源軌分別用于提供CPU內(nèi)核和DSP內(nèi)核電壓。這兩個電源軌的功率電平一般均在3W~5W之間。
同時,隨著這些系統(tǒng)中組件數(shù)目的增加,可用空間日漸狹小。因此,鑒于所有的實際散熱器都很龐大以致于安裝不便,出于對空間限制以及工作溫度范圍要求的考慮,轉(zhuǎn)換效率的重要性變得更加突出。在低輸出電壓以及高于幾百毫安的中等電流電平條件下,簡單地采用一個線性穩(wěn)壓器來生成這些系統(tǒng)電壓已不再可行。因此,在過去的幾年里,主要由于散熱方面的限制,開關(guān)穩(wěn)壓器一直在逐步取代線性穩(wěn)壓器。開關(guān)電源的優(yōu)點包括較高的效率和較小的占位面積,這使得復(fù)雜度的增加以及EMI問題變得不那么重要。
如果考慮汽車導航系統(tǒng)中的開關(guān)穩(wěn)壓器限制條件,則其將需要擁有下列特點和特性:
寬輸入工作范圍
在一個寬負載范圍內(nèi)具有良好的效率
在正常操作、待機和停機狀態(tài)下具有低靜態(tài)電流
低熱阻
最低的噪聲和EMI輻射
讓我們較詳細地研究一下這些基本能力:
1. 寬輸入工作范圍
圖1:大多數(shù)中高檔汽車都配置了基于DVD的GPS導航系統(tǒng)作為標準設(shè)備。
任何開關(guān)穩(wěn)壓器都需要被規(guī)定在一個3V~60V的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作,以確??蓾M足冷車發(fā)動 和負載突降 的條件。它還具有使這些汽車系統(tǒng)能夠在14V或42V電壓條件下運行的額外優(yōu)點。而且,60V的額定電壓還為通常被箝位于36V~40V的14V系統(tǒng)提供了一個良好的裕度。另外,60V的額定電壓還使得該器件能夠應(yīng)用于未來的42V系統(tǒng)。這就意味著一款現(xiàn)今為14V系統(tǒng)所做的設(shè)計可以針對42V系統(tǒng)的要求輕而易舉地升級,而無需進行任何重大的重新設(shè)計工作。
2. 效率
在大多數(shù)汽車系統(tǒng)中,在一個寬負載范圍內(nèi)實現(xiàn)高效功率轉(zhuǎn)換是必不可少的。例如,在10mA 至2.5A的負載范圍內(nèi),一個5V輸出的功率轉(zhuǎn)換效率被要求達到85% 左右。在高電流條件下,內(nèi)部開關(guān)需要具有良好的飽和,通常在3A電流時為0.1Ω。為了改善輕負載效率,需減小驅(qū)動電流或使其與負載電流成比例。而且,用于內(nèi)部控制電路的功率可以通過一個偏置引腳來提供,該偏置引腳可由輸出來供電。這得益于一個降壓型轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)換效率。由于該偏置電流吸收自輸出(而不是輸入),因而使得控制電路所需的輸入電源電流有所減小,降幅為輸出與輸入電壓之比。例如,一個于3.3V時的100μA輸出電流只要求于12V時的30μA平均輸入電流。這最大限度地減小了控制電路所需的輸入電流,并且提高了輕負載時的效率水平。
表1:高電壓、低靜態(tài)電流降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器
3. 低靜態(tài)電流
汽車系統(tǒng)中有許多應(yīng)用即使是在車輛處于停駛狀態(tài)下也要求連續(xù)供電。這些應(yīng)用的一個關(guān)鍵要求就是低靜態(tài)電流。在輸出電流降至大約100mA 以下之前,該器件將運行于正常的連續(xù)開關(guān)模式。在該電流電平以下,開關(guān)穩(wěn)壓器必須跳過若干脈沖以便維持穩(wěn)壓狀態(tài)。該穩(wěn)壓器可在脈沖之間進入睡眠模式,此時僅對部分內(nèi)部電路供電。在輕負載電流條件下,開關(guān)穩(wěn)壓器需要自動切換至突發(fā)模式操作。在該模式中,對于一個12V至3.3V轉(zhuǎn)換器,靜態(tài)電流應(yīng)降至100μA以下。在睡眠模式中,內(nèi)部基準和電源良好電路將保持運行狀態(tài),以便監(jiān)視輸出電壓。在停機模式中,靜態(tài)電流應(yīng)低于1μA。
4. 低熱阻
理想的情況是,結(jié)點至外殼熱阻應(yīng)該很低。如果器件的背部為裸露銅面并被焊接至PC板的表面,則PC板可被用來將熱量傳導至遠離器件的地方。目前常用具有內(nèi)部電源平面的四層電路板能夠?qū)崿F(xiàn)約40℃/W的熱阻。具有至金屬外殼良好熱傳導的高環(huán)境溫度應(yīng)用可獲得接近10℃/W的典型結(jié)點至外殼熱阻值。這有助于擴展工作溫度范圍。
5. 關(guān)于噪聲和EMI的考慮
雖然開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪聲多于線性穩(wěn)壓器,但是其效率卻比后者高得多。在許多敏感應(yīng)用中已經(jīng)證明只要開關(guān)電源按照可預(yù)測的方式運作,則噪聲和EMI水平是可以控制的。如果開關(guān)穩(wěn)壓器在正常模式中以一個恒定的頻率進行開關(guān)操作,且開關(guān)脈沖邊緣干凈并可預(yù)測(沒有過沖或高頻振鈴),則EMI將得到最大限度的抑制。采用小尺寸封裝和高工作頻率能夠?qū)崿F(xiàn)小巧緊密的布局,這可以最大限度地減少EMI輻射。另外,如果穩(wěn)壓器能夠與低ESR陶瓷電容器一道使用,則可最大限度地減小輸入和輸出紋波(它們是系統(tǒng)中的額外噪聲源)。
顯然,此類開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計和開發(fā)并不簡單。不過,在過去的幾年中,凌特公司(Linear Technology)一直致力于這種高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作,并且擁有了一個專為滿足這些要求而設(shè)計以及型款日漸增多的產(chǎn)品庫(表1)。
LT3434便是近期推出的此類DC/DC轉(zhuǎn)換器一個實例,它隸屬于一個不斷壯大和能夠處理60V電壓的單片降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器系列。該器件可解決上述汽車導航應(yīng)用所需面對的諸多問題。LT3434可在3.3V至60V的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作(圖2)。它可在高達2.5A的負載電流條件下提供高效率?;鶞示仍谒械碾妷骸⒇撦d和溫度條件下均為 ±2%。
由于該器件具有突發(fā)模式(BurstMode)操作功能,因此對于12V至3.3V應(yīng)用其靜態(tài)電流小于100μA。該器件采用具有非常低熱阻的小外形扁平TSSOP封裝,以實現(xiàn)小占位面積設(shè)計。最后,它采用了一種旨在實現(xiàn)上佳瞬態(tài)響應(yīng)和簡易補償?shù)碾娏髂J酵負浣Y(jié)構(gòu),并且運用了用于在所有占空比條件下維持恒定峰值開關(guān)電流的專利電路。開關(guān)頻率為恒定的200kHz,而且可將器件同步至一個更高的頻率。它可在汽車溫度范圍內(nèi)提供嚴格的電壓調(diào)節(jié),并具有電源良好(Power Good)/復(fù)位、軟起動和UVLO(欠壓閉鎖)功能。在高達2.5A的電流電平條件下,該電路提供了一種堅固、高效、小占位面積的解決方案。
本文小結(jié)
盡管汽車導航系統(tǒng)的設(shè)計很復(fù)雜,而且還要求其模擬DC/DC轉(zhuǎn)換器提供高性能,但是您無需為此感到驚慌。諸如凌特公司正在推出一個“新浪潮”穩(wěn)壓器,它們組合了許多關(guān)鍵功能,對于系統(tǒng)工程師而言,這些功能是減低電源設(shè)計工作量和苛刻程度所必需的。
評論