汽車電源集成電路的新應(yīng)用與新挑戰(zhàn)

　　引言

　　汽車中每年都在不斷增加日益復(fù)雜的電子系統(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氣體排放。市場(chǎng)調(diào)查公司IC Insights預(yù)計(jì)在2008年汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)將增長(zhǎng)到181億美元以上，而2006年這一市場(chǎng)為140億美元。另一家市場(chǎng)調(diào)查公司 Strategy Analytics 也做出了同樣樂(lè)觀的預(yù)測(cè)：“今天，就一般的汽車而言，電子系統(tǒng)成本占總成本的22%以上，不過(guò)到2008年，這一比例將提高到30%以上。” 信息娛樂(lè)系統(tǒng)、行車安全保障系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)管理、衛(wèi)星無(wú)線電設(shè)備和電視機(jī)、LED照明、免提蜂窩電話以及其他無(wú)線連接系統(tǒng)都是這類電子系統(tǒng)的例子。5年前，這類系統(tǒng)僅出現(xiàn)在歐洲“高檔”豪華型汽車中，但是現(xiàn)在這些系統(tǒng)正在集成到所有制造商的中檔汽車中，這使得汽車集成電路市場(chǎng)的增長(zhǎng)更快了。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)控制管理是對(duì)汽車集成電路市場(chǎng)起到推動(dòng)作用的電子應(yīng)用之一。全球尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)一年比一年嚴(yán)格，單位油量里程數(shù)要求在提高，客戶則需要更高的性能。這些要求以前是相互制約的，但是現(xiàn)在汽車制造商采用了“智能”發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、大量傳感器和一些 DSP，可以實(shí)現(xiàn)更高的發(fā)動(dòng)機(jī)效率，同時(shí)能讓發(fā)動(dòng)機(jī)以更干凈的方式運(yùn)轉(zhuǎn)。電子產(chǎn)品在行車安全保障、環(huán)境氣氛控制、照明、導(dǎo)航和無(wú)線連接以及底盤(pán)控制系統(tǒng)中也掀起了類似的革命。總之，這些新型系統(tǒng)提高了安全性、性能和駕駛員的舒適度，并減輕了對(duì)環(huán)境的污染。

　　隨著汽車系統(tǒng)中電子元件數(shù)量的增加，可用空間不斷縮小，這極大地提高了每個(gè)系統(tǒng)的電子元件密度。所有這些系統(tǒng)都需要電源轉(zhuǎn)換集成電路，通常需要多種電壓軌以滿足每個(gè)子系統(tǒng)的需求。在效率和小尺寸不是最重要的考慮因素時(shí)，線性穩(wěn)壓器一度用來(lái)完成大多數(shù)電源轉(zhuǎn)換任務(wù)。但是隨著電源密度提高了一個(gè)量級(jí)，以及很多應(yīng)用需要相對(duì)高的環(huán)境溫度，任何有實(shí)際意義的散熱器都顯得太大而無(wú)法使用了。因此，由于空間限制和工作溫度范圍要求，電源轉(zhuǎn)換效率成了關(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時(shí)，簡(jiǎn)單使用線性穩(wěn)壓器來(lái)產(chǎn)生這些系統(tǒng)電壓都不再有任何實(shí)際意義，因?yàn)檫@樣會(huì)產(chǎn)生太多熱量。受到這些限制的結(jié)果是，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器正在取代線性穩(wěn)壓器。效率提高、占板面積減小等開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的好處勝過(guò)了設(shè)計(jì)復(fù)雜性提高、需考慮 EMI 問(wèn)題等弊端。

　　本文的主要目的是研究這些新型汽車電源集成電路怎樣才能滿足一個(gè)電氣和熱限制都很苛刻的環(huán)境提出的所有這些新需求。

　　“始終接通”系統(tǒng)需要低電源電流

　　除了會(huì)遇到負(fù)載突降和冷車發(fā)動(dòng)情況，很多電子子系統(tǒng)還需要工作在消耗最低電流的備用模式。在大多數(shù)導(dǎo)航、行車安全保障、車輛安全和發(fā)動(dòng)機(jī)管理電源系統(tǒng)中，都有這種以備用除了會(huì)遇到負(fù)載突降和冷車發(fā)動(dòng)情況，很多電子子系統(tǒng)還需要工作在消耗最低電流的備用模式。在大多數(shù)導(dǎo)航、行車安全保障、車輛安全和發(fā)動(dòng)機(jī)管理電源系統(tǒng)中，都有這種以備用模式工作的電路。每個(gè)子系統(tǒng)都采用幾個(gè)微處理器和微控制器。實(shí)際上，大多數(shù)豪華型汽車都有 60~100 個(gè)這樣的 DSP。大多數(shù) DSP 都以兩種不同的模式工作。首先，當(dāng)汽車運(yùn)行時(shí)，這些 DSP 一般以電池饋送的滿電流工作，并對(duì)系統(tǒng)充電。但是當(dāng)汽車點(diǎn)火系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，這些微處理器中有很多必須保持“有效”，因此仍然消耗電池電流。由于導(dǎo)航、車輛安全、環(huán)境氣氛控制和發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)可能需要 30 多個(gè)這類始終保持接通的處理器，因此，即使點(diǎn)火系統(tǒng)關(guān)閉了，對(duì)電池仍然有功率需求，而且這種需求在不斷增大。為這些始終保持接通的處理器供電所需的總電源電流可能達(dá)到幾百毫安，這有可能在幾天之內(nèi)徹底耗盡電池電量。例如，出差兩到三周以后，一輛豪華汽車的電池可能已經(jīng)無(wú)法啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)了。這些電源的靜態(tài)電流需要大幅降低，這樣才能不用大量增加這些電子系統(tǒng)的尺寸或復(fù)雜性，就能節(jié)省電池電量。直到最近，高輸入電壓和低靜態(tài)電流一直是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)相互制約的參數(shù)。如果一輛汽車的高壓降壓型轉(zhuǎn)換器每個(gè)需要 2~10mA 的電源電流，那么幾個(gè)這樣的轉(zhuǎn)換器加上 ABS 剎車、電動(dòng)開(kāi)窗等其它大量必須始終保持接通的系統(tǒng)，所產(chǎn)生的漏電流可能消耗極多的電池電量。

　　為了更好地控制這些需求，幾家汽車制造商為始終保持接通的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器確定了 100mA 的低靜態(tài)電流目標(biāo)。直到最近，一直要求系統(tǒng)制造商給降壓型穩(wěn)壓器并聯(lián)一個(gè)低靜態(tài)電流 LDO，每次汽車點(diǎn)火裝置關(guān)閉后，都要從轉(zhuǎn)換器切換到電流低得多的 LDO。這樣的解決方案昂貴、笨重且效率相對(duì)較低。凌力爾特公司提供了 36V~60V 輸入、<100mA 的降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，如表 1 所示。能以突發(fā)模式(Burst Mode)工作的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可組成緊湊得多、效率也高得多的解決方案，可解決始終保持接通帶來(lái)的問(wèn)題。

　　負(fù)載突降和冷車發(fā)動(dòng)情況

　　負(fù)載突降是交流發(fā)電機(jī)正在給電池充電而電池電纜斷接時(shí)出現(xiàn)的情況。在汽車正在工作時(shí)電池電纜松動(dòng)或汽車運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電池電纜斷裂，都可能發(fā)生負(fù)載突降情況。在交流發(fā)電機(jī)試圖全力充電時(shí)電池電纜突然斷接，可能產(chǎn)生高達(dá)60V的瞬態(tài)電壓尖峰(見(jiàn)圖1和圖2中的36V和60V瞬態(tài)圖形)。交流發(fā)電機(jī)上的瞬態(tài)電壓抑制器通常將總線電壓箝位在36V到60V之間，并吸收大部分浪涌電流。不過(guò)，交流發(fā)電機(jī)的下游器件DC/DC轉(zhuǎn)換器要承受這些36V至60V的瞬態(tài)尖峰。由于這些轉(zhuǎn)換器和由轉(zhuǎn)換器供電的子系統(tǒng)在這種瞬態(tài)事件發(fā)生期間不能損壞，而且在某些情況下還要穩(wěn)定輸出電壓，因此DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠處理這些高壓瞬態(tài)是至關(guān)重要的。可以在外部實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)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。

　　冷車發(fā)動(dòng)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)油變得非常黏稠，需要發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器提供更大的扭轉(zhuǎn)力，而這就需要電池提供更大的電流。這種大電流負(fù)載能在點(diǎn)火時(shí)將電池/主端總線電壓拉至低于4.0V，之后，電壓一般會(huì)返回到標(biāo)稱的12V至13.8V電壓(見(jiàn)圖1)。對(duì)某些應(yīng)用，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制、行車安全保障和導(dǎo)航系統(tǒng)，當(dāng)務(wù)之急是需要一個(gè)非常穩(wěn)定的輸出電壓(通常是3.3V)，以在冷車發(fā)動(dòng)時(shí)平滑工作。

　　有多種解決方案

　　根據(jù)輸出電流和瞬態(tài)保護(hù)要求的不同，凌力爾特公司提供幾種可以在冷車發(fā)動(dòng)和負(fù)載突降情況下正常工作并需要低于 100mA 靜態(tài)電流(見(jiàn)表 1)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。具有高達(dá) 60V 輸入瞬態(tài)保護(hù)的 2A、38V 降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 LT3480 就是一個(gè)很好的例子。其突發(fā)模式工作在無(wú)負(fù)載備用情況下可保持靜態(tài)電流低于 70mA。

　　LT3480 的 3.6V 至 38V 輸入電壓范圍和 60V 的瞬態(tài)保護(hù)使其非常適合汽車應(yīng)用中的負(fù)載突降和冷車發(fā)動(dòng)情況。在圖 1 中，LT3480 提供 3.3V 穩(wěn)定輸出，可承受 36V 瞬態(tài)。在圖 2 中，LT3480 實(shí)際上在高于 41.5V 時(shí)將自己關(guān)斷，以保護(hù)自身和下游電路。瞬態(tài)電壓降至低于 38V 時(shí)，LT3480 會(huì)回到穩(wěn)壓狀態(tài)。

　　LT3480 的 3A 內(nèi)部開(kāi)關(guān)可以在電壓低至 0.79V 時(shí)提供高達(dá) 2A 的連續(xù)輸出電流。該器件以突發(fā)模式工作時(shí)具有僅為 70mA 的無(wú)負(fù)載靜態(tài)電流(見(jiàn)圖 3)，非常適合汽車或電信系統(tǒng)應(yīng)用，這些應(yīng)用需要始終保持接通工作和最長(zhǎng)的電池工作時(shí)間。開(kāi)關(guān)頻率在 200kHz 至 2.4MHz 范圍內(nèi)是用戶可編程的，使設(shè)計(jì)師能夠優(yōu)化效率，同時(shí)避開(kāi)關(guān)鍵的噪聲敏感頻段。其 3mm x 3mm DFN-10 封裝(或耐熱增強(qiáng)型 MSOP-10E 封裝)和高開(kāi)關(guān)頻率允許使用小型外部電感器和電容器，從而可組成占板面積非常緊湊和傳熱效率很高的解決方案。

　　LT3480 采用高效率 3A、0.25Ω開(kāi)關(guān)，單芯片中集成了必需的升壓二極管、振蕩器、控制和邏輯電路。低紋波突發(fā)模式工作在低輸出電流時(shí)保持高效率，同時(shí)保持輸出紋波低于 15mVPK-PK。特殊設(shè)計(jì)方法和新型高壓工藝在寬輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高效率，同時(shí)其電流模式拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了快速瞬態(tài)響應(yīng)和卓越的環(huán)路穩(wěn)定性。其它特點(diǎn)包括外部同步(250kHz至2MHz)、電源良好標(biāo)記和軟啟動(dòng)功能。

　　汽車環(huán)境中的熱限制

　　在汽車應(yīng)用中，除了苛刻的電氣環(huán)境，熱環(huán)境也具有同樣的挑戰(zhàn)性。由于越來(lái)越多的電子產(chǎn)品正在擠占車內(nèi)寶貴的公共空間資源，因而使得熱管理變得至關(guān)重要。引擎罩內(nèi)應(yīng)用通常要求 125 ℃或更高的環(huán)境溫度，而主要的電子產(chǎn)品“資源”(比如：導(dǎo)航/信息娛樂(lè)系統(tǒng)、測(cè)量?jī)x器)則面臨著散熱問(wèn)題的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兙拷嚪阑饓?這里的環(huán)境溫度很高)，并具有非常高的電子元件安裝密度。所有電子產(chǎn)品都以熱量形式消耗一定量的功率。在電源轉(zhuǎn)換器中管理熱量的關(guān)鍵是最大限度地提高每個(gè)轉(zhuǎn)換器的效率，這樣就最大限度地降低了以熱量形式損耗的功率。這是過(guò)去幾年用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器取代 LDO 的原因之一。

　　在汽車應(yīng)用中，除了苛刻的電氣環(huán)境，熱環(huán)境也具有同樣的挑戰(zhàn)性。由于越來(lái)越多的電子產(chǎn)品正在擠占車內(nèi)寶貴的公共空間資源，因而使得熱管理變得至關(guān)重要。引擎罩內(nèi)應(yīng)用通常要求 125 ℃或更高的環(huán)境溫度，而主要的電子產(chǎn)品“資源”(比如：導(dǎo)航/信息娛樂(lè)系統(tǒng)、測(cè)量?jī)x器)則面臨著散熱問(wèn)題的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兙拷嚪阑饓?這里的環(huán)境溫度很高)，并具有非常高的電子元件安裝密度。所有電子產(chǎn)品都以熱量形式消耗一定量的功率。在電源轉(zhuǎn)換器中管理熱量的關(guān)鍵是最大限度地提高每個(gè)轉(zhuǎn)換器的效率，這樣就最大限度地降低了以熱量形式損耗的功率。這是過(guò)去幾年用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器取代 LDO 的原因之一。

　　除了器件效率，每個(gè)電源轉(zhuǎn)換器件的封裝要有很高的傳熱效率，以更好地將熱量從集成電路中傳導(dǎo)出去，這也很重要。凌力爾特公司的汽車應(yīng)用專用器件采用傳熱效率最高的封裝。DFN 以及 MSOP 和 TSSOP 等無(wú)引線封裝全部采用耐熱增強(qiáng)型設(shè)計(jì)，這些封裝的底部有導(dǎo)熱焊盤(pán)，這使熱阻減少了 2 倍多。

　　為了滿足最苛刻的高溫應(yīng)用需求 (比如：引擎罩內(nèi)的應(yīng)用)，凌力爾特公司推出了 H 級(jí)轉(zhuǎn)換器系列，視具體器件而定，這個(gè)系列的器件可在 140℃或 150℃的結(jié)溫下工作。表 2 全面反映了這個(gè)系列器件的性能。轉(zhuǎn)換拓?fù)浒?LDO、高壓?jiǎn)纹_(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和控制器。



　　例如：一個(gè)應(yīng)用以 12V 輸入工作，產(chǎn)生穩(wěn)定的 5V 電壓同時(shí)提供 1A 輸出電流，這時(shí) LDO 的效率僅為 41%，浪費(fèi) 7W 功率，這樣即使在 80℃時(shí)就需要一個(gè)很大的散熱器，以防止過(guò)熱導(dǎo)致故障。而開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器(如圖 4 中的 LT3480)能以 90% 的效率工作，外部?jī)H消耗 0.5W 功率。其 TSSOP-16E 封裝的 qJA 為 45℃/W，那么這一功耗數(shù)字代表溫度上升 22.5℃，這使得工業(yè)級(jí)器件(125℃)可用于溫度為 102.5℃ 的環(huán)境，而 H 級(jí)額定溫度的器件可用于溫度為 137.5℃的環(huán)境。

　　結(jié)語(yǔ)

　　汽車中專用電子子系統(tǒng)在迅速增多，因此對(duì)汽車應(yīng)用中的電源集成電路產(chǎn)生了苛刻的性能要求。視電源在汽車電源總線上位置的不同，電源可能遇到負(fù)載突降和冷車發(fā)動(dòng)以及高環(huán)境溫度問(wèn)題。另外，有些系統(tǒng)需要在備用模式下始終保持接通的環(huán)境工作，這需要最大限度地減小電源電流。隨著汽車中電子系統(tǒng)的不斷增多，最大限度地縮小解決方案占板面積，同時(shí)又最大限度地提高傳熱效率也是至關(guān)重要的。幸運(yùn)的是，一些電源集成電路設(shè)計(jì)師已經(jīng)設(shè)計(jì)出滿足這些需求的解決方案，為將來(lái)在汽車中增加更多的電子系統(tǒng)鋪平了道路。