汽車(chē)設(shè)計(jì)需要具超低 IQ 的 65V 同步降壓型轉(zhuǎn)換器

引言

“在全球各種立法持續(xù)不斷地推動(dòng)著下一代汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，將進(jìn)一步強(qiáng)化車(chē)輛的排放控制和安全性。業(yè)界的競(jìng)爭(zhēng)和消費(fèi)者的預(yù)期正在導(dǎo)致汽車(chē)連接能力的提升，可連接至云和個(gè)人便攜式設(shè)備。因此，對(duì)于促成型半導(dǎo)體器件的需求預(yù)計(jì)在未來(lái) 7 年中將達(dá)到 5% 的年平均復(fù)合增長(zhǎng)率 (CAAGR)，到 2021 年，總的市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò) 410 億美元，而 2013 年時(shí)則為 275 億美元。美國(guó)市場(chǎng)研究公司 Strategy Analytics 的分析也與此一致，認(rèn)為市場(chǎng)對(duì)于微控制器和功率半導(dǎo)體元件的需求將占到銷(xiāo)售收入的 40% 以上。”[資料來(lái)源：Strategy Analytics 公司 2014 年 5 月發(fā)布]

Strategy Analytics 對(duì)于汽車(chē)和商用車(chē)輛中電子產(chǎn)品所占比重的增長(zhǎng)預(yù)測(cè)給出了非常定量的描述，但更加重要的是其闡述了電源 IC 在此增長(zhǎng)過(guò)程中所起的關(guān)鍵性作用。這些新型電源 IC 設(shè)計(jì)必須提供：

1)盡可能高的效率以最大限度地緩解熱問(wèn)題并優(yōu)化電池運(yùn)行時(shí)間

2)采用多種電池輸入電壓工作的能力;單節(jié) (汽車(chē)) 和雙節(jié) (商用車(chē)輛) 鉛酸電池應(yīng)用能夠適應(yīng)很寬的瞬態(tài)電壓擺幅

3)超低的靜態(tài)電流，以使安全、環(huán)境控制和信息娛樂(lè)系統(tǒng)等“始終保持接通”系統(tǒng)能夠在汽車(chē)引擎 (交流發(fā)電機(jī)) 不運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下保持工作狀態(tài)而不消耗車(chē)載電池的電能

4)2MHz 或更高的開(kāi)關(guān)頻率，以避免開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)入 AM 無(wú)線(xiàn)電頻段并保持非常小的解決方案占板面積

5)盡可能低的 EMI/EMC 輻射，以減輕電子系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲干擾問(wèn)題

提高電源 IC 性能水平的目標(biāo)是設(shè)計(jì)日益復(fù)雜且數(shù)量龐大的車(chē)用電子系統(tǒng)，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排放。推動(dòng)車(chē)載電子產(chǎn)品成長(zhǎng)的具體應(yīng)用見(jiàn)諸于車(chē)輛的各個(gè)方面。例如：包括車(chē)道監(jiān)視、自適應(yīng)安全控制和自動(dòng)轉(zhuǎn)向、調(diào)光車(chē)前燈和信息娛樂(lè)系統(tǒng) (遠(yuǎn)程信息處理) 在內(nèi)的新型安全系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展并在相同的空間里“塞”進(jìn)了更多的功能，而且還必須支持?jǐn)?shù)量不斷增加的云應(yīng)用。高級(jí)引擎管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了停止-啟動(dòng)系統(tǒng)以及電子負(fù)載變速器和引擎控制。傳動(dòng)系統(tǒng)和底盤(pán)管理旨在同時(shí)改善性能、安全性和舒適度。幾年前這些系統(tǒng)還僅見(jiàn)于“高檔”豪華型車(chē)輛，但是如今每家制造商的汽車(chē)通常都配備了此類(lèi)系統(tǒng)，因而促使汽車(chē)電源 IC 以更高的速率增長(zhǎng)。

車(chē)載電子系統(tǒng)成長(zhǎng)的主要推動(dòng)力之一是許多可改善車(chē)輛性能、舒適性和安全性的復(fù)雜電子系統(tǒng)的普及。不過(guò)，很多此類(lèi)系統(tǒng)也是專(zhuān)為在眾多商用車(chē)輛 (包括貨車(chē)、公共汽車(chē)、鏟車(chē)等等) 中使用而設(shè)計(jì)的。這些應(yīng)用一般采用雙電池。但是許多汽車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都希望能夠利用相同的設(shè)計(jì)來(lái)應(yīng)對(duì)采用單節(jié)電池的汽車(chē)和采用雙節(jié)電池的商用車(chē)輛，因而需要一款可適應(yīng)這兩種配置的電源 IC。

通過(guò)采用兩個(gè)串聯(lián)的鉛酸電池，標(biāo)稱(chēng)電池電壓增加至 24V，這就要求在拋負(fù)載期間提供至 60V 的瞬態(tài)保護(hù)，相比之下，采用 12V 標(biāo)稱(chēng)電池電壓的汽車(chē)其拋負(fù)載要求則為 36V。與此相反，采用單節(jié)電池的汽車(chē)應(yīng)用要求電源 IC 能在輸入低至 3.5V 的情況下運(yùn)作，以適應(yīng)冷車(chē)發(fā)動(dòng)和車(chē)輛停-啟時(shí)的低起動(dòng)電壓。在雙節(jié)電池應(yīng)用中，這種低輸入要求極大地放寬了，只需要滿(mǎn)足 7V (電池電壓) 的最小值。在圖 1 中，可以看到當(dāng)采用單節(jié)鉛酸電池時(shí)冷車(chē)發(fā)動(dòng) / 車(chē)輛停-啟和拋負(fù)載期間的寬暫態(tài)電壓擺幅。雙節(jié)電池應(yīng)用雖然看起來(lái)與之相似，但拋負(fù)載期間的最大電壓通常為 60V，而冷車(chē)發(fā)動(dòng) / 車(chē)輛停-啟過(guò)程中的最小電壓為 7V。

圖 1：36V 拋負(fù)載瞬變和 4V 冷車(chē)發(fā)動(dòng)場(chǎng)合中的 LT8620

高效運(yùn)作

在汽車(chē)應(yīng)用中，電源管理 IC 的高效運(yùn)作是最重要的，原因有二。首先，電源轉(zhuǎn)換的效率越高，以熱量的形式浪費(fèi)掉的電能就越少。由于熱量是所有電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期可靠性的大敵，因此必須對(duì)其實(shí)施有效的管控，這一般需要采用散熱器來(lái)提供冷卻作用，從而增加了解決方案的復(fù)雜性、尺寸和成本。其次，混合動(dòng)力汽車(chē)或電動(dòng)汽車(chē) (EV) 中的任何電能損耗都將直接導(dǎo)致車(chē)輛可行駛里程的縮短。直到最近，高電壓?jiǎn)纹诫娫垂芾?IC 與高效率同步整流設(shè)計(jì)之間一直是互相排斥的，因?yàn)樗璧?IC 工藝不能同時(shí)支持這兩個(gè)目標(biāo)。傳統(tǒng)上，極高效率的解決方案是高電壓控制器，其采用外部 MOSFET 以進(jìn)行同步整流。然而，與單片式可替代方案相比，此類(lèi)配置對(duì)于 15W 以下的應(yīng)用顯得相對(duì)復(fù)雜和龐大笨重。幸運(yùn)的是，目前市場(chǎng)上已經(jīng)有了能夠提供高電壓 (至 65V) 和高效率以及內(nèi)部同步整流功能的新型電源管理 IC。

“始終保持接通”系統(tǒng)需要超低電源電流

許多電子子系統(tǒng)必需在“待機(jī)”或“保活”模式中運(yùn)作，當(dāng)處于該狀態(tài)時(shí)其在一個(gè)穩(wěn)定的電壓下吸收極小的靜態(tài)電流。這些電路可見(jiàn)于大多數(shù)導(dǎo)航、安全、防護(hù)和引擎管理電子電源系統(tǒng)。此類(lèi)子系統(tǒng)都會(huì)采用多個(gè)微處理器和微控制器。大多數(shù)豪華型轎車(chē)均安裝了超過(guò) 150 個(gè)這類(lèi) DSP，而其中的大約 20% 需要執(zhí)行“始終保持接通”的操作。在這些系統(tǒng)中，電源轉(zhuǎn)換 IC 必須工作于兩種不同的模式。首先，當(dāng)汽車(chē)在行駛時(shí)，負(fù)責(zé)為這些 DSP 供電的電源轉(zhuǎn)換電路通常將以滿(mǎn)電流 (由電池和充電系統(tǒng)饋送) 運(yùn)作。然而，當(dāng)汽車(chē)點(diǎn)火裝置關(guān)閉時(shí)，這些系統(tǒng)中的微處理器必須保持運(yùn)行，并要求其電源 IC 在從電池吸收極小電流的同時(shí)提供一個(gè)恒定的電壓。由于可能會(huì)有 30 多個(gè)“始終保持接通”的此類(lèi)處理器一起工作，因此即使當(dāng)點(diǎn)火裝置關(guān)閉時(shí)電池所承受的電能需求量也是很大。為這些“始終保持接通”的處理器供電所需的總電源電流可達(dá)幾百毫安 (mA)，這有可能在數(shù)日之內(nèi)徹底耗盡電池的電量。比如：如果一輛汽車(chē)的高電壓降壓型轉(zhuǎn)換器各需 2mA 的電源電流，那么把來(lái)自安全系統(tǒng)、GPS 系統(tǒng)和遙控門(mén)鎖系統(tǒng)的 30 個(gè)這樣的轉(zhuǎn)換器與其他必須始終保持接通的系統(tǒng) (如 ABS 剎車(chē)) 以及源于電動(dòng)車(chē)窗的漏電流加起來(lái)，就有可能在三周的漫長(zhǎng)商務(wù)旅行之后耗盡電池的電能，從而使之無(wú)法發(fā)動(dòng)引擎。因此，必需大幅度地減小這些電源的靜態(tài)電流以延長(zhǎng)電池壽命，并且不增加電子系統(tǒng)的尺寸或復(fù)雜性。就 DC/DC 轉(zhuǎn)換器而言，對(duì)于高輸入電壓能力和低靜態(tài)電流的要求直到最近還是互相排斥的參數(shù)。為了更好地管理這些要求，幾家汽車(chē)制造商在 10 年前為每個(gè)“始終保持接通”的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)立了一個(gè) <100μA 的低靜態(tài)電流目標(biāo)，但是如今的優(yōu)選指標(biāo)則是低于 10μA。很幸運(yùn)，新一代的電源 IC 已經(jīng)推出，其提供的靜態(tài)電流低于 3μA。

新的替代方案

單電池汽車(chē)和雙電池商用車(chē)輛電源總線(xiàn)的電壓變化范圍可從 3.5V 以下至 60V 以上，因?yàn)樗鼈儽┞队诓煌乃矐B(tài)狀況和配置。由于必需在這種寬輸入電壓范圍內(nèi)獲得良好調(diào)節(jié)的電壓軌，所以需要具有寬輸入電壓和高性能的電源轉(zhuǎn)換 IC。鑒于車(chē)載電子產(chǎn)品的增長(zhǎng)速度隨著用于防護(hù)、安全、導(dǎo)航、底盤(pán)控制和引擎 / 變速器管理的電子控制模塊 (ECM) 而繼續(xù)加快，故而對(duì)于可提供高效率、低靜態(tài)電流、高開(kāi)關(guān)頻率以及非常堅(jiān)固的保護(hù)功能和可靠性的高電壓電源管理 IC 的需求也將加速攀升。幸運(yùn)的是，IC 設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸地滿(mǎn)足了這些苛刻的要求。

凌力爾特的 LT8620 是一個(gè)高電壓同步降壓型穩(wěn)壓器系列中的首款產(chǎn)品。其 3.4V 至 65V 的輸入電壓范圍使之非常適合于那些會(huì)遭受低電壓瞬變 (例如：冷車(chē)發(fā)動(dòng)或停-啟場(chǎng)合) 和高電壓瞬變 (在拋負(fù)載期間遇到) 的汽車(chē)和商用車(chē)輛 (單和雙電池) 應(yīng)用。其擁有 2.0A 的連續(xù)輸出電流性能以及在 1V 至略低于 VIN 之電壓范圍內(nèi)提供輸出的能力，因而使其成為許多直接依靠單節(jié)或雙節(jié)電池總線(xiàn)供電運(yùn)行之汽車(chē)電源軌的理想選擇。由下面的圖 2 可見(jiàn)，該器件非常緊湊和簡(jiǎn)單的解決方案占板設(shè)計(jì)免除了增設(shè)任何外部二極管的需要。

圖 2：LT8620 典型汽車(chē) / 商用車(chē)輛原理圖 (對(duì)于一個(gè) 5V、2A 輸出)

其同步整流設(shè)計(jì)包括了內(nèi)部上管和下管以提供高達(dá) 94% 的效率。如圖 3 所示，當(dāng)由12V 標(biāo)稱(chēng)輸入為一個(gè) 5V 負(fù)載供電時(shí)，即使在采用相對(duì)較高的 700kHz 開(kāi)關(guān)頻率的情況下它也能夠?qū)崿F(xiàn)超過(guò) 94% 的效率。同樣，當(dāng)從一個(gè) 24V 標(biāo)稱(chēng)輸入提供 5V 輸出時(shí)，該器件可產(chǎn)生高達(dá) 92% 的效率。這種高效運(yùn)作最大限度地減少了功率損耗并免除了增設(shè)散熱器的需要，即使在可用空間極為受限的應(yīng)用中也不例外。在電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)中，這可以直接轉(zhuǎn)化為汽車(chē)在兩次電池充電之間可行駛里程的增加。

圖 3：LT8620 的效率曲線(xiàn)圖 (針對(duì)典型汽車(chē) / 商用車(chē)輛原理圖)

此外，LT8620 的突發(fā)模式 (Burst Mode?) 操作還可將無(wú)負(fù)載靜態(tài)電流減小至只有 2.5μA，從而使其非常適合于那些必須在盡量延長(zhǎng)電池壽命的同時(shí)保持恒定電壓調(diào)節(jié) (即使在無(wú)負(fù)載時(shí)也不例外) 的“始終保持接通”應(yīng)用。由于包括防護(hù)、環(huán)境控制、數(shù)據(jù)記錄、安全和定位在內(nèi)的“始終保持接通”系統(tǒng)日益增多，因此這一點(diǎn)特別重要。另外，一種非常低紋波突發(fā)模式操作拓?fù)溥€可把輸出噪聲大幅降低至 10mVPK-PK 以