汽車應(yīng)用的線性穩(wěn)壓器與開(kāi)關(guān)器

線性穩(wěn)壓器有什么新功能？讓我們從輸出電容器開(kāi)始。采用熟悉的 0402 封裝的陶瓷電容器是當(dāng)今的電容器。這主要是因?yàn)楦倪M(jìn)的材料將其溫度范圍從 125°C (257°F) 提高到 150°C (302°F)，并且改進(jìn)的安裝方法減少了熱沖擊并提高了抗振性。

新型線性穩(wěn)壓器
線性穩(wěn)壓器有什么新功能？讓我們從輸出電容器開(kāi)始。采用熟悉的 0402 封裝的陶瓷電容器是當(dāng)今的電容器。這主要是因?yàn)楦倪M(jìn)的材料將其溫度范圍從 125°C (257°F) 提高到 150°C (302°F)，并且改進(jìn)的安裝方法減少了熱沖擊并提高了抗振性。這些電容器的小尺寸減少了其電感分量，從而獲得更好的高頻性能。但陶瓷電容器值得關(guān)注的關(guān)鍵特性是其低等效串聯(lián)電阻 (ESR)。
基本的閉環(huán)線性調(diào)節(jié)器系統(tǒng)由誤差放大器、輸出驅(qū)動(dòng)器和負(fù)載組成。圖 1 至圖 3 詳細(xì)介紹了雙極性線性穩(wěn)壓器的閉環(huán)頻率響應(yīng)，突出顯示了在保持系統(tǒng)設(shè)置和輸出電容值相同的情況下改變輸出電容器 ESR 的效果。具有 1 歐姆 ESR（圖 1）的電容器是穩(wěn)定的，而具有非常低的 0.01 歐姆 ESR（圖 2）的電容器是不穩(wěn)定的；3 歐姆的較大 ESR（圖 3）也不穩(wěn)定。

開(kāi)關(guān)電源的一條經(jīng)驗(yàn)法則——每當(dāng)閉環(huán)增益大于或等于 1 時(shí)，閉環(huán)相位永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到 360 度的 30 度以內(nèi)——在這里也非常適用。
大多數(shù)線性穩(wěn)壓器不提供任何可訪問(wèn)的點(diǎn)來(lái)測(cè)量穩(wěn)定性曲線。相反，芯片制造商提供了一些圖表，顯示預(yù)期的穩(wěn)定性區(qū)域與輸出電容器的 ESR 值的關(guān)系。圖 4 顯示了輸出電容器 ESR 不穩(wěn)定區(qū)域和穩(wěn)定區(qū)域的典型差異，具體取決于輸出穩(wěn)壓器電壓隨輸出電流變化的情況。圖 5 顯示了基于輸出電容值的不穩(wěn)定區(qū)域和穩(wěn)定區(qū)域的差異。
負(fù)載響應(yīng)時(shí)間通常與 IC 穩(wěn)定性產(chǎn)品區(qū)域成反比變化。環(huán)路響應(yīng)時(shí)間已減慢，以提供更好的穩(wěn)定性。外部輸出電容器將補(bǔ)償大多數(shù)瞬態(tài)要求。請(qǐng)務(wù)必提供足夠大的電容器來(lái)滿足您的要求。使用典型的電容器方程：
根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載大小、瞬態(tài)時(shí)間和系統(tǒng)允許的輸出電壓降來(lái)計(jì)算電容器值。
無(wú)論是在穩(wěn)壓器加載時(shí)還是在待機(jī)狀態(tài)下，靜態(tài)電流都已成為一個(gè)重要的指標(biāo)。從歷史上看，靜態(tài)電流并不是一個(gè)問(wèn)題。隨著汽車中電子含量的增加，目前使用的電池和交流發(fā)電機(jī)已經(jīng)達(dá)到了極限。半導(dǎo)體制造工藝會(huì)對(duì)靜態(tài)電流量產(chǎn)生影響，我們可以在兩種不同制造類型制造的產(chǎn)品的典型性能特征中看到這種影響。圖 6 顯示了采用雙極工藝制造的器件，而圖 7 顯示了采用 BCD 工藝制造的器件。請(qǐng)注意采用 BCD 工藝制造的器件的扁平線特性。
雙極工藝導(dǎo)致器件在較高負(fù)載下需要增加靜態(tài)電流。當(dāng)在較高負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，采用 BCD 工藝制造的器件將在低負(fù)載下保持低靜態(tài)電流。結(jié)果是對(duì)模塊靜態(tài)電流限制的貢獻(xiàn)較低。
節(jié)流器
您可以在節(jié)流操作中使用看門(mén)狗調(diào)節(jié)器?？撮T(mén)狗調(diào)節(jié)器通過(guò)向微處理器發(fā)送喚醒信號(hào)來(lái)節(jié)省電流。當(dāng)微處理器指令啟動(dòng)時(shí)，微處理器將并發(fā)信號(hào)發(fā)送回電壓調(diào)節(jié)器，通知調(diào)節(jié)器必須保持調(diào)節(jié)。一旦微處理器完成其命令和指示，返回調(diào)節(jié)器的反饋信號(hào)就會(huì)被移除。看門(mén)狗調(diào)節(jié)器識(shí)別該事件并向微處理器發(fā)送回復(fù)位信號(hào)，將其關(guān)閉，如圖 8 所示。終結(jié)果是電流消耗減少，直到再次需要微處理器的工作為止。
IC 穩(wěn)壓器領(lǐng)域的另一種新的省流方案是暫時(shí)關(guān)閉不需要的電路。調(diào)節(jié)器中不立即需要的任何部分都可以斷電并以脈沖開(kāi)/關(guān)模式運(yùn)行。
該方案適合寒冷或室溫下的輕負(fù)載條件。較高溫度下漏電流的增加（通過(guò)環(huán)境溫度升高或片上電源引起的芯片溫度升高而達(dá)到）使器件的正常運(yùn)行變得復(fù)雜。
人們對(duì)雙穩(wěn)壓器（一個(gè)芯片上有兩個(gè)獨(dú)立的輸出穩(wěn)壓器）的興趣與日俱增?，F(xiàn)在一些微處理器需要雙電源電壓。個(gè)電源（通常是較低電壓）為內(nèi)核供電，第二個(gè)電源為 I/O 供電。降低電壓可以將更多晶體管擠在芯片上，而不會(huì)熔化器件或超出其封裝的熱限制。
雖然雙線性穩(wěn)壓器的用途并不是作為靜態(tài)電流節(jié)省工具（更多的是為了方便、節(jié)省空間和成本），但它們有助于系統(tǒng)中的節(jié)能和功率分配。電流節(jié)省是雙穩(wěn)壓器內(nèi)通用電路（例如帶隙參考電壓和電流源偏置串）的結(jié)果。
在單個(gè) IC 上集成多個(gè)穩(wěn)壓器有利于方便、節(jié)省空間和成本，但受到 IC 中允許功率的限制。
封裝是另一個(gè)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的領(lǐng)域，可以在單個(gè)封裝中消耗更多功率。通過(guò)使用金屬引線框架材料（裸露焊盤(pán)），熱阻得到了改善。與塑料連接相比，金屬連接可以更有效地散熱。圖 9 顯示了典型的裸露焊盤(pán) (epad) 封裝。該器件采用 300 mil、16 引線 SOW epad 封裝，epad 尺寸為 150 mil x 184 mil。
超過(guò)制造商的溫度限制（結(jié)點(diǎn)處通常約為 150°C/302°F）可能會(huì)立即損壞穩(wěn)壓器，或者由于硅、焊線和塑料封裝的不同熱膨脹系數(shù)引起的應(yīng)力而導(dǎo)致早期故障。隨著溫度升高，故障率呈指數(shù)級(jí)上升。目前正在研究提高這些電氣元件可接受的工作溫度。
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器
當(dāng)我所描述的所有新的線性穩(wěn)壓器選項(xiàng)都被使用時(shí)，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的使用將會(huì)增加。由于外部元件數(shù)量較多，開(kāi)關(guān)器比線性穩(wěn)壓器更昂貴。他們還承擔(dān)故障排除的隱性成本。就其本質(zhì)而言，切換器具有需要電磁干擾方面的技能和教育才能克服的特性。
毫無(wú)疑問(wèn)，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器比 LDO 更高效。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率可以達(dá)到 90%，而 LDO 的效率為 36%，如表 1 所示。圖 10 顯示了降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的典型效率曲線。
線性穩(wěn)壓器的功率損耗就是負(fù)載電流（忽略任何靜態(tài)電流）乘以輸入和輸出之間的電壓差。圖 11 中的示例顯示了穩(wěn)壓器上的 9V 壓降，因此效率達(dá)到 35.7%，與負(fù)載無(wú)關(guān)，但取決于輸入電壓，如下例所示。
提高線性穩(wěn)壓器效率的方法是降低其兩端的電壓。您可以通過(guò)在線性穩(wěn)壓器旁邊使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器（如圖 12 所示）來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的，為線性穩(wěn)壓器創(chuàng)建 6V 直流輸入（與上一示例中的 14V 直流輸入相比）。開(kāi)關(guān)器件可以有效地降壓至更易于管理的電壓，并將該電壓分配給其他線性穩(wěn)壓器運(yùn)行。這種布置提高了切換器的效率，同時(shí)節(jié)省了線性調(diào)節(jié)器的成本。消除線性穩(wěn)壓器與電池的連接可以進(jìn)一步降低成本，因?yàn)榭梢允褂幂^低電壓的部件。
如圖 13 所示，提高的效率使整體系統(tǒng)效率達(dá)到 74.7%，而圖 11 中的效率為 35.7%。
減少電流消耗的另一種方法是將開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的功能與線性穩(wěn)壓器相結(jié)合。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在驅(qū)動(dòng)其設(shè)計(jì)負(fù)載時(shí)效率。然而，當(dāng)輸出電壓負(fù)載不重時(shí)，保持開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器開(kāi)關(guān)所需的電流變得更多是一種負(fù)擔(dān)，而不是一種屬性。在這些條件下，線性穩(wěn)壓器可以更加高效。
圖 14 顯示了能夠在線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的工作模式之間切換的器件。該模塊分為兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的部分：部分（綠色）支持系統(tǒng)用作降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。第二部分（黃色）支持系統(tǒng)用作線性調(diào)節(jié)器。與溫度無(wú)關(guān)的參考電壓在兩個(gè)部分之間共享。工程師可以根據(jù)輸出負(fù)載選擇更改模式，以獲得效率或 EMI 要求。在非常輕的負(fù)載下，線性穩(wěn)壓器的效率會(huì)更高。負(fù)載較重時(shí)，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率會(huì)更高。線性穩(wěn)壓器的EMI性能始終優(yōu)于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的其他應(yīng)用涉及啟動(dòng)汽車。對(duì)于現(xiàn)代汽車安全系統(tǒng)，必須驗(yàn)證密鑰是否屬于其嘗試啟動(dòng)的車輛。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的重負(fù)載會(huì)導(dǎo)致電池電壓嚴(yán)重下降，這不得導(dǎo)致驗(yàn)證中涉及的微處理器斷電或重置。
為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，您需要一個(gè)可以為系統(tǒng)提供升壓以及降壓或降壓電壓的設(shè)備。實(shí)現(xiàn)此目的的一種方法是使用 SEPIC（單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器），如圖 15 所示。電容器 C1 必須能夠承受該系統(tǒng)的正常高壓操作限制（就反激脈沖而言）以及通過(guò)電感器 L1 看到的高壓負(fù)載突降脈沖（以及其他瞬態(tài)）。這意味著需要一個(gè)高壓電容器，并且為了保持效率，電容器的 ESR 值較低，因?yàn)橛懈唠娏髁鬟^(guò)該組件。一些工程師對(duì)流過(guò)電容器的高電流感到不舒服?？赡軙?huì)發(fā)生過(guò)熱，導(dǎo)致可靠性問(wèn)題或電容器劣化（短路或開(kāi)路）。
該問(wèn)題的另一個(gè)解決方案是使用帶有雙模轉(zhuǎn)換器的直通區(qū)技術(shù)。這樣可以在降壓和升壓操作模式之間實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡，同時(shí)創(chuàng)建所需的降壓/升壓操作。如圖 16 所示。
在正常運(yùn)行中，晶體管 Q1 作為降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器運(yùn)行，同時(shí)控制電路保持 Q2 截止。當(dāng) Vbat 的輸入電壓下降時(shí)，Q1 100% 導(dǎo)通，同時(shí) Q2 將電路用作升壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。電阻器 Rpassthrough 有助于設(shè)置操作，通過(guò)該操作有一個(gè)直通區(qū)域，通過(guò)該區(qū)域可以稍微改變調(diào)節(jié)的輸出電壓，以在切換操作模式時(shí)提供平滑過(guò)渡。
目前的汽車系統(tǒng)中可用的電力是有限的。從工程角度來(lái)看，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器比線性穩(wěn)壓器具有效率。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器將實(shí)現(xiàn)集成的功能，但也會(huì)增加系統(tǒng)的成本。汽車消費(fèi)者會(huì)為多的功能（開(kāi)關(guān)）付費(fèi)還是滿足于較少的功能（線性穩(wěn)壓器）？