新型汽車設計需要降壓-升壓型轉換器

　　引言

　　每年，汽車都采用更多的復雜電子系統(tǒng)，以最大限度地提高舒適度、安全性和性能，同時最大限度地降低有害氣體排放。根據市場調查公司 Databeans的數據，從 2011 年到 2014 年，汽車半導體市場的年復合增長率將達到 9%。汽車中電子系統(tǒng)的日益增多受到了以下因素的驅動：新型安全系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng) (車載多媒體系統(tǒng))、發(fā)動機和動力傳動系統(tǒng)管理、衛(wèi)星無線電和電視、LED 照明、藍牙以及其他無線系統(tǒng)和后視攝像頭。5 年前，這些系統(tǒng)僅在歐洲的高端豪華汽車中才能見到，但是現在，這些系統(tǒng)正集成到每一個制造商的中檔汽車中，從而使汽車 IC 市場能以更快的速度增長。

　　汽車采用電子系統(tǒng)的一個主要驅動力是新型發(fā)動機和動力傳動系統(tǒng)設計的采用，其中包括直接燃料噴射、停-啟控制和各種不同的混合型 / 電動型汽車配置的采用。同時，世界各地的尾氣排放標準變得越來越嚴格，而提高燃油里程的壓力持續(xù)增加。然而，客戶要求更高的性能。這些要求一度是相互排斥的，不過采用“智能”發(fā)動機控制系統(tǒng)、大量傳感器和幾個 DSP，使汽車制造商能實現更高的發(fā)動機效率，同時使發(fā)動機能以更清潔的方式運行。電子控制單元 (ECU) 正在快速普及，以優(yōu)化汽車的多方面設計，例如發(fā)動機和動力傳動系統(tǒng)管理、動態(tài)底盤控制等?？傊?，這些新系統(tǒng)改善了安全性、性能和駕駛員舒適度，有助于為我們所有人提供一個更清潔的環(huán)境。

　　隨著汽車系統(tǒng)中電子組件數量的增多，可用空間持續(xù)壓縮，這極大地增大了每個系統(tǒng)的密度。所有這些系統(tǒng)都需要電源轉換 IC，通常這些 IC 有多種電壓軌，以給每個子系統(tǒng)供電。傳統(tǒng)上，線性穩(wěn)壓器滿足了大部分這類電源轉換需求，因為效率和小尺寸不是最重要的。但是隨著功率密度提高了數個量級，加之很多應用需要在相對高的環(huán)境溫度中運行，任何切實可行的散熱系統(tǒng)都太大，沒有足夠的空間容納。因此，電源轉換效率變得至關重要了，這導致降壓型開關穩(wěn)壓器取代了線性穩(wěn)壓器。不過，新出現的汽車設計需要開關穩(wěn)壓器提供恒定輸出電壓，而不管輸入是否高于、低于或等于輸出。新的電源 IC 無論輸入電壓擺幅多大，都能連續(xù)提供良好穩(wěn)定的輸出，這給電源管理 IC 造成了新的挑戰(zhàn)。電源管理 IC 不僅必須提供堅固的設計，而且必須提供最高效率、最低靜態(tài)電流和占板面積緊湊的解決方案。

　　電子系統(tǒng)的瞬態(tài)挑戰(zhàn)：停/啟、冷車發(fā)動和負載突降情況

　　為了最大限度地提高燃油里程，同時盡量降低碳排放，一些非傳統(tǒng)型動力傳動技術在不斷發(fā)展。這些新技術無論是采用混合動力、清潔柴油發(fā)動機還是采用更傳統(tǒng)內燃機設計，都有可能采用停-啟電動機設計。在全世界所有混合動力設計中，幾乎普遍采用了停-啟電動機設計，很多歐洲和亞洲汽車制造商也將這類設計納入了傳統(tǒng)的汽油和柴油動力汽車中。美國福特公司不久前宣布，將在很多2012家用車型中采用停-啟系統(tǒng)。

　　停-啟發(fā)動機的概念很簡單，當車輛停駛時，關閉發(fā)動機，然后在車輛加速之前的瞬間，立即重新啟動發(fā)動機。當汽車在車流中或因紅燈停駛時，這可以減少燃油消耗和尾氣排放。這種停-啟設計可將油耗及尾氣排放量降低 5% 至 10%。不過，這類設計面臨的最大挑戰(zhàn)是要讓駕駛員察覺不到整個停-啟過程。要想讓駕駛員察覺不到停-啟過程，需要消除兩大設計障礙。第一個是，利用增強的啟動器設計，實現快速重啟，有些汽車制造商已經將重啟時間降至不到 0.5 秒，從而使停-啟過程真正察覺不到。第二個設計挑戰(zhàn)是，當發(fā)動機關閉時，保持所有電子系統(tǒng) (包括直接由電池供電的空調) 正常運行，同時保持足夠的電力儲備，以在加速時快速重啟發(fā)動機。

　　為了納入停-啟功能，動力傳統(tǒng)系統(tǒng)的設計必須修改。也就是說，交流發(fā)電機也許還要兼作增強的電動機起動器，以確?？焖僦貑?。此外，必須增加停-啟電子控制單元 (ECU)，以控制發(fā)動機何時以及怎樣啟動和停止。當發(fā)動機 / 交流發(fā)電機關閉時，電池必須能給車輛的各種燈、環(huán)境控制以及其他電子系統(tǒng)供電。此外，當再次需要發(fā)動機工作時，電池必須能給啟動器供電。這種極端的電池加載操作引入了另一個設計挑戰(zhàn)，這一次是電氣方面的挑戰(zhàn)，重啟發(fā)動機需要吸取很大的電流，這又可能將電池電壓暫時拉低至 4V，與圖 1 所示的電壓曲線十分類似。這對電子系統(tǒng)的挑戰(zhàn)在于，當電池總線電壓短暫地低于所需輸出電壓，然后當充電器返回穩(wěn)定狀態(tài)，電池總線電壓又返回標稱的 13.8V 電壓時，要提供良好穩(wěn)定的 5V (或更高的) 電壓。

　　圖 1：停-啟和冷車發(fā)動時的瞬態(tài)電壓

　　5V/DIV：每格 5V

　　INDUCTOR CURRENT：電感器電流

　　“冷車發(fā)動” 是汽車發(fā)動機處于寒冷或冰凍溫度一段時間后而起動的情況。這時機油變得十分粘稠，要求電動機起動器提供更大的扭矩，這回從電池吸取更大的電流。這種大電流負載在點火時，可能將電池 / 主總線電壓拉低至 4.0V，之后，電池總線電壓一般返回標稱的 13.8V。汽車電源總線的電氣表現看起來與圖 1 所示停-啟系統(tǒng)的情況非常類似，但是它們的原因卻很不相同。至關重要的是，在發(fā)生冷車發(fā)動情況時，發(fā)動機控制、行車安全、導航系統(tǒng)等應用需要良好穩(wěn)定的輸出電壓 (通常為 5V)，以在車輛啟動時連續(xù)運行。

　　“負載突降” 是指當電池電纜斷接同時交流發(fā)電機仍然給電池充電的情況。當電池電纜連接不牢固同時汽車在運行時，或當電池電纜斷裂同時汽車在運行時，可能發(fā)生“負載突降”情況。這種電池電纜的突然意外斷接可能產生高達 60V 的瞬態(tài)電壓尖峰，因為交流發(fā)電機試圖給不存在的電池滿充電。交流發(fā)電機上的瞬態(tài)電壓抑制器通常將總線電壓箝位在 30V 到 34V 之間，并吸收大部分浪涌。不過，交流發(fā)電機下游的 DC/DC 轉換器遭受了高達 36V 的瞬態(tài)電壓尖峰。人們希望這些轉換器不僅能承受這樣的電壓尖峰而不被損壞，而且在這種瞬態(tài)事件發(fā)生期間，還必須能連續(xù)調節(jié)輸出電壓。

　　圖 2：36V 負載突降情況下的電壓瞬態(tài)

　　10V/DIV：每格 10V

　　INDUCTOR CURRENT：電感器電流