汽車混合電源將靜態(tài)電流降至最低

     汽車系統(tǒng)常供電電源的共同挑戰(zhàn)是保持足夠低的靜態(tài)電流，以滿足汽車制造商的要求，同時保持高能效、低輸入 電壓，符合成本和空間要求。為滿足這些要求，許多汽車系 統(tǒng)采用低靜態(tài)電流的線性穩(wěn)壓器。雖然這種線性穩(wěn)壓滿足大 部分要求，但其固有的低功特性效抑制了它在負載電流增加 和低電壓情況下的采用。在線性穩(wěn)壓器中，器件功耗與輸出

圖1  線性穩(wěn)壓器溫度上升  
功率成正比例。當(dāng)功耗增加達到拐點時，在給定的環(huán)境溫度 下，結(jié)溫達到絕對最高水平(圖1)。高于這個水平可靠性會 受到影響，此時開關(guān)電源(SMPS)成為必要。傳統(tǒng)開關(guān)電源 雖然可符合能效要求，但通常不符合低靜態(tài)電流要求。但 是，混合電源可解決這一挑戰(zhàn)。
混合電源集成開關(guān)電源和低靜態(tài)電流線性穩(wěn)壓器并將
它們并聯(lián)，這種模式結(jié)合了兩個方案各自的優(yōu)點，減少大多數(shù)缺點。工作原理很簡單：在系統(tǒng)喚醒狀態(tài)，負載電流較高
時，啟用開關(guān)電源，禁用線性穩(wěn)壓器(開關(guān)電源模式)；在系 統(tǒng)休眠狀態(tài)下，負載電流時，禁用開關(guān)電源，啟用線性穩(wěn)壓 器(低壓降穩(wěn)壓器LDO模式)。檢測負載電流水平的集成電路 (IC)自動執(zhí)行(圖2)。
架構(gòu)的好處是，輸出功率較高時，高能效開關(guān)電源工

圖2  混合電源框圖
作，輸出功率較低時，低靜態(tài)電流線性穩(wěn)壓器工作。開關(guān)電
源模式可實現(xiàn)超過90%的典型能效，低靜態(tài)電流線性穩(wěn)壓器 模式可實現(xiàn)最大39 μA的靜態(tài)電流。
從開關(guān)電源模式轉(zhuǎn)換到低靜態(tài)電流LDO模式，會引起 輸出電壓，但活動大小可由輸出電容牽制，使輸出電壓保持 在可承受的范圍內(nèi)，不會產(chǎn)生復(fù)位(圖3)。
現(xiàn)代汽車系統(tǒng)支持低輸入電壓以滿足“冷啟動”或越 來越普遍的“啟?！币?。這在開關(guān)電源模式中特別重要， 最大占空比限制了最低輸入電壓。具有高邊PMOS的開關(guān)電 源可達到100%的占空比，低輸入電壓模式的唯一障礙是高 邊開關(guān)的壓降和IC的內(nèi)軌電壓要求。但是PMOS開關(guān)電源也 有弊端：PMOS開關(guān)電源的單元面積相比具有相同導(dǎo)通電阻 的NMOS更大，導(dǎo)致更大的裸片面積，這意味著高邊開關(guān)的壓降更大。NMOS開關(guān)電源需要自舉升壓(至少添加3個外部
元件)來保持NMOS開關(guān)門極電壓高于電源電壓以支持更低 的輸入電壓。升壓憑借充電電容為門極傳輸電能，自舉電容 需要最少的時間常數(shù)來充電，提供最大占空比限制。開關(guān)電 源的架構(gòu)可作適當(dāng)調(diào)整以改進這種情況，特別是高頻開關(guān)電 源；例如，開關(guān)頻率可在低輸入電壓條件下提升，增加最大

圖3  安森美半導(dǎo)體的NCV891330模式轉(zhuǎn)換；Vin=13  V, Vout=5.0 V, Iout=20 mA to 2.5 A in 1 A/μS
占空比而無脈沖跳躍。有些汽車系統(tǒng)可以監(jiān)測輸入電壓，低 于閾值電壓時將執(zhí)行減載，減少系統(tǒng)功能減小負載電流。當(dāng) 然，更低負載電流導(dǎo)致開關(guān)電源高邊開關(guān)的壓降更低。安 森美半導(dǎo)體的NCV891330就是集成NMOS開關(guān)電源的混合電 源，通過增加最大占空比利用頻率提開(至500 kHz)來實現(xiàn) 低輸入電壓。具有5.0 V的輸出和0.5 A的負載，可在IC輸入引 腳實現(xiàn)5.34 V的輸入電壓。
實現(xiàn)低靜態(tài)電流的一個替代方案，不是使用混合電源 或線性穩(wěn)壓器，而是使用具有調(diào)制方式的開關(guān)電源，如具有 可變關(guān)斷時間的遲滯或突發(fā)模式轉(zhuǎn)換器。這樣的轉(zhuǎn)換器在輕 載條件下通常使用一個“猝發(fā)”脈沖開關(guān)然后一個較長的關(guān) 斷時間開關(guān)，關(guān)斷期間，負載完全由放電輸出電容供電。由 于門極驅(qū)動電路等在延長關(guān)斷時間期間被禁用，靜態(tài)電流可 減至最小。
這種開關(guān)電源的靜態(tài)電流可能等于或低于混合電源。 但是，無論是在輕載還是在靜態(tài)條件下，更低的總輸入電 流 取 決 于 突 發(fā) 模 式 的 總 能 效 、 負 載 電 流 和 靜 態(tài) 電 流 。 例 如，12 V輸入、5.0 V輸出、100 μA負載電流和39 μA靜態(tài)電 流 的 混 合 開 關(guān) 電源 ( 如 安 森 美 半 導(dǎo) 體 的NC V891330)， 將 有 1 3 9 μ A 的 輸 入 電 流 ( 表 1 ) 。 但 是 ， 1 2V輸入、5.0 V輸出、100 μA負載電流和40 μ A 靜 態(tài) 電 流 的 低 靜 態(tài)電流開關(guān)電源，輕 載能效卻低于35%， 將有 1 5 9 μ A 的 輸 入 電流，較混合電源高14%(表2)。

此外，這種遲滯 調(diào)制方式將導(dǎo)致可變 的關(guān)斷時間，這等同
于每個周期的時間可變；換言之即頻率可變。頻率成為電感值、負載電流和占空 比的函數(shù)，因而不再是一個可直接控制的值。未知的基本頻 率會產(chǎn)生不可預(yù)知的電磁光譜響應(yīng)，如果不知道基本頻率， 其輻射將難以抑制。
關(guān) 系 到 遲 滯 和 突 發(fā) 模 式 拓 撲 結(jié) 構(gòu) 有 一 個 頻 率 可 變 的 輸 出 紋 波 電 壓 ， 其 頻 率 可 變 ， 且 高 于 采 用 傳 統(tǒng) 脈 寬 調(diào) 制 (PWM)技術(shù)的開關(guān)電源。采用PWM控制的混合電源將產(chǎn)生 較低的輸出電壓紋波。
總之，混合電源的實現(xiàn)提供低靜態(tài)電流，同時保持重 載時的高能效、低輸出電壓紋波?？深A(yù)測的電磁輻射和支持 低輸入電壓。低靜態(tài)電流線性穩(wěn)壓器仍然適用于輕載，但不 適用于具挑戰(zhàn)性的熱環(huán)境中的重載應(yīng)用。低靜態(tài)電流開關(guān)電 源有時可提供較低總輸入電流，但其靜態(tài)電流和輕載效應(yīng)慎 重分析。
安森美半導(dǎo)體的NCV891330是混合型開關(guān)電源/低壓降
穩(wěn)壓器電源。它集成3 A的2 MHz、非同步的、輸出電流達 PWM轉(zhuǎn)換器以及最大靜態(tài)電流的39 μA、能輸出50 mA電流 的線性穩(wěn)壓器。它有出廠固定的輸出電壓選擇，內(nèi)部補償并 配有復(fù)位和使能引腳。NCV891330采用SOIC-8 EPAD封裝， 是混合電源IC系列的成員，具有不同特性和封裝選擇。