汽車電子產品日益增長的需求給電源IC設計帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)

引言
在過去的10年里，汽車電子產品有了突飛猛進的發(fā)展，車載電子控制、導航以及娛樂系統(tǒng)不管是在數(shù)量上還是在精細程度上都有了顯著的提高。今后，車載電子產品的發(fā)展有望進一步加速。據市場調研公司Allied Business Intelligence預測，全球汽車半導體市場的規(guī)模將從2003年的123億美元增長至2007年的170億美元以上。Strategy Analytics公司也持相似的觀點，據該公司預測，汽車電子系統(tǒng)在車輛總成本中所占的比例將從目前的20% 飚升至2008年的30%。幾個大發(fā)展趨勢對汽車電子產品的這種高速成長起到了推波助瀾的作用。在汽車系列的一端，諸如油門控制、制動和懸掛控制等眾多傳統(tǒng)上的機械系統(tǒng)目前均采用電子系統(tǒng)來進行控制和優(yōu)化。而在另一端，LED照明、娛樂和無線導航正迅速成為非豪華型汽車的標準設備。所有這些系統(tǒng)均要求進行某種類型的電源管理，而且，它們所面臨的電子技術挑戰(zhàn)很多，與此同時，維持高可靠性也是極為重要的。
本文將重點探討兩大主要組成部分的成長，即目前以及下一代汽車中分布式電源和LED照明。這兩個區(qū)段專業(yè)市場給汽車電子產品設計師和制造商均帶來了新的挑戰(zhàn)。了解這些挑戰(zhàn)并找到可行的解決方案是最為重要的，因為與這些系統(tǒng)相關聯(lián)的發(fā)展似乎是沒有止境的。

分布式電源單元
在汽車的整個底盤上，存在著為數(shù)眾多的分布式電源或"負載點"電源。這些電源單元（PSU）負責對12V（標稱值為13.8V）的總線電壓進行降壓（或升壓）操作，以便為大量的子系統(tǒng)供電。這些子系統(tǒng)包括遠程信息處理/導航系統(tǒng)、電動座椅和電動車門、車身內部和外部照明以及電子剎車和引擎操控等。這些系統(tǒng)所要求的電源電壓范圍有可能從36V（用于某些LED應用）到1.2V（用于驅動低電壓微處理器）-- 諸如導航設備等諸多系統(tǒng)也許需要在一個單元中采用8個以上的不同電壓電平。視PSU在汽車電源總線上操作位置的不同，它有可能需要在功率要求非?？量痰臈l件下運行。這些要求包括負載突降、冷車發(fā)動、輕負載條件下的極低功耗以及低噪聲操作。此外，通常還要求解決方案的占位面積非常緊湊狹小，并具有較高的熱效率。凌特公司正在不斷壯大其專為滿足上述苛刻要求而開發(fā)的產品系列。

負載突降條件（60V瞬變保護）
"負載突降"指的是電池電纜在交流發(fā)電機向電池充電的過程中發(fā)生斷接的狀態(tài)。當交流發(fā)電機試圖對電池進行滿充電時，電池電纜的這種突然斷接會產生高達60V的瞬態(tài)電壓尖峰。交流發(fā)電機上的瞬態(tài)電壓抑制器通常會把總線電壓箝位于36V至60V之間，并吸收掉大部分的浪涌電流。然而，交流發(fā)電機的下行DC/DC轉換器將承受這些60V的瞬變尖峰電壓。由于預料到這些轉換器以及由它們供電的子系統(tǒng)均會在該瞬變事件發(fā)生期間以及之后執(zhí)行操作，因此，至關重要的是DC/DC轉換器應具備處理這一高電壓（最大值為60V）瞬變的能力?？梢圆捎枚喾N能夠在外部實現(xiàn)的保護電路（常常是抑制器），但這樣會導致成本的增加，并占用寶貴的板級空間。凌特的多款高電壓開關穩(wěn)壓器（包括LT3433、LT3434和LT1976）均能夠承受高達60V的瞬變電壓，并能夠在不影響系統(tǒng)性能或可靠性的情況下維持輸出的穩(wěn)定。一般地，這些降壓型或降壓-升壓型轉換器將暴露于因充電/電池系統(tǒng)中的中斷所引起的車用電池和交流發(fā)電機電壓瞬變條件之下。

冷車發(fā)動條件
“冷車發(fā)動” 是一個在車輛引擎經受了一段時間的低溫或冰點溫度的情況下出現(xiàn)的情況。引擎潤滑油變得非常粘滯，而且要求起動機電機提供更大的扭矩，而這反過來又需要從電池獲得更多的電流。在點火時，該大電流負載會把電池/主總線電壓拉低到4V，之后它一般將恢復至13.8V的標稱值。當某些子系統(tǒng)在這種冷車發(fā)動的整個過程中都需要一個經過良好穩(wěn)壓的5V恒定輸出時，就會發(fā)生上述問題。這些應用包括ECU、環(huán)境和應急系統(tǒng)微處理器，它們對于確保車輛的安全性以及可靠的性能是至關重要的。以往，人們是通過采用雙電感器SEPIC（單端初級繞組電感器耦合）DC/DC轉換器來滿足這些要求的。SEPIC拓撲結構不利的一面在于其雙電感器配置不僅成本昂貴、體積龐大，而且效率較低，約為70%。
凌特的LT3433高壓降壓-升壓型DC/DC轉換器是專門為給這種4V冷車發(fā)動環(huán)境提供一種效率更高效、結構更為緊湊的解決方案而開發(fā)的。該轉換器尤其適用于12V汽車電池應用，能夠在4V冷車發(fā)動至60V負載突降的電池輸入電壓范圍內維持輸出電壓的穩(wěn)定。橋式模式操作的門限約為8V，因此轉換器將主要工作于降壓模式（冷車發(fā)動狀態(tài)除外）。在降壓操作過程中，該轉換器可在高達60V的輸入電壓條件下提供高至350mA的負載電流。當工作于13.8V的標稱輸入電壓條件下時，該LT3433轉換器可提供400mA的負載電流和高達82% 的效率。當輸入電壓降至8V以下時，轉換器將變換至橋式操作模式以維持輸出電壓的穩(wěn)定。由于LT3433的開關電流限值是固定的，因此，當工作于橋接模式時，轉換器的負載能力下降。于是，當采用一個4V輸入電壓時，該轉換器能夠提供高達125mA的負載電流。該LT3433轉換器不僅能夠在大范圍的DC輸入電壓條件下工作，而且還能夠在輸入瞬變期間維持嚴格的輸出穩(wěn)壓。當承受一個用于模擬冷車發(fā)動條件，而持續(xù)時間為1ms的13.8V至4V輸入瞬變時，125mA負載電流條件下的輸出穩(wěn)壓波動范圍被維持在1% 以內。

用于“始終接通”系統(tǒng)的低供電電流
    隨著新型導航、安全和"始終接通"電源系統(tǒng)在汽車中的應用和普及，對電池的需求日益增加（即使在點火裝置關閉的情況下也不例外）?？偟恼f起來，用于維持"始終接通"處理器電壓所需的數(shù)百毫安供電電流有可能在幾周之內便將電池電量耗盡。例如，在經歷了一次漫長的商務旅行之后，高檔豪華型汽車的引擎有可能無法發(fā)動。為了在不顯著增加電子系統(tǒng)的外形尺寸和復雜性的情況下延長電池的使用壽命，必需大幅度地減小靜態(tài)電流。直到最近，對于DC/DC轉換器而言，高輸入電壓能力和低靜態(tài)電流這兩項要求還是互斥參數(shù)。如果車用高電壓降壓型轉換器需要2_10mA的供電電流，當采用了多個這樣的轉換器以及諸如ABS剎車等強制"始終接通" 的系統(tǒng)時，再加上來自電動車窗以及眾多其它"始終接通"系統(tǒng)的漏電流，則將會導致電池儲能的實質性耗盡。
    為了更好地應對這些要求，多家汽車制造商為每個"始終接通"DC/DC轉換器制定了一個100μA的低靜態(tài)電流目標。直到最近，系統(tǒng)制造商仍然需要將一個低靜態(tài)電流LDO與一個降壓型轉換器并聯(lián)，并且每當車輛停駛時都將從該轉換器切換至一個電流低得多的LDO。這樣形成的解決方案不僅成本昂貴、體積龐大，而且效率較低。凌特推出的60V、＜100μA降壓型DC/DC轉換器系列（如表1所列）為"始終接通"問題提供了一種外形結構和效率均有大幅度改善的解決方案。
表1  凌特公司的高電壓、低靜態(tài)電流穩(wěn)壓器
器件型號
器件架構
VIN 范圍
ISW
(A)
頻率
IQ
((A)
封裝
LT3010
高電壓LDO
3.5 至 80V
0.05
不適用
30
MS8E
LT3437
降壓型穩(wěn)壓器
3.3 至 80V
0.20
200kHz
100
DFN
LT3438
降壓型穩(wěn)壓器
3.3 至 80V
0.20
500kHz
100
DFN
LT1934
降壓型穩(wěn)壓器
3.3 至 34V
0.40
COT*
12
ThinSOT
LT3433
降壓-升壓型
穩(wěn)壓器
4 至 60V
0.50
200kHz
100
TSSOP-16E
LT1976
降壓型穩(wěn)壓器
3.3 至 60V
1.50
200kHz
100
TSSOP-16E
LT1977
降壓型穩(wěn)壓器
3.3 至 60V
1.50
500kHz
100
TSSOP-16E
LT3434
降壓型穩(wěn)壓器
3.3 至 60V
3.00
200kHz
100
TSSOP-16E
LT3435
降壓型穩(wěn)壓器
3.3 至 60V
3.00
500kHz
100
TSSOP-16E
* 恒定關斷時間
LT3434是一款高壓、突發(fā)模式（Burst Mode(r)）操作、降壓型開關穩(wěn)壓器，可將靜態(tài)電流維持在100μA以下。其典型應用示于圖1，最終的供電電流和效率曲線分別示于圖2和圖3。LT3434可在3.3V至60V的VIN范圍內工作，從而使其成為大多數(shù)汽車應用中常見的負載突降和冷車發(fā)動條件的理想選擇。其3A內部開關能夠在低至1.25V的電壓條件下提供高達2.5A的連續(xù)輸出電流。它所具有的超低靜態(tài)電流使其成為諸如汽車系統(tǒng)等采用"始終接通"系統(tǒng)并要求延長電池使用壽命的應用之理想選擇。LT3434因其采用了散熱增強型TSSOP封裝和200kHz開關頻率而保持了較小的外部電感器和電容器尺寸，從而提供了一種占位面積緊湊狹小且散熱效率很高的解決方案。
圖1  具有100μA無負載靜態(tài)電流的14V至3.3V降壓型轉換器
圖2  LT3434供電電流與輸入電壓的關系曲線
圖3  LT3434效率與負載電流的關系曲線
LT3434采用了一個高效3A、0.1Ω開關，并將必需的振蕩器、控制和邏輯電路集成在了單塊硅片中。特殊的設計技術以及一種新型高電壓工藝的運用實現(xiàn)了寬輸入電壓范圍內的高效率，而其電流模式拓撲結構則實現(xiàn)了快速瞬態(tài)響應和極佳的環(huán)路穩(wěn)定性。另外，還在一個很寬的輸出電流范圍內對效率進行了優(yōu)化，采取的方法是在低電流條件下運用突發(fā)模式操作、利用輸出來給內部電路施加偏壓以及采用一個電源升壓電容器來使電源開關完全飽和。

LED照明
白熾燈泡是最為經濟的光源，因此仍然是最常用的標準照明源。然而，隨著可用照明空間的日益減小以及對照明光源使用壽命、燈光色彩和設計的要求的不斷提高，人們越來越希望采用LED。即使是傳統(tǒng)的CCFL TFT-LCD背光源應用也正在逐漸被白光LED陣列所取代。汽車前燈是唯一的例外。在可以預見的將來，汽車前燈將采用鹵素/氙燈絲設計，但其余的許多車身內部/外部和背光源應用都將逐步過渡為采用LED。LED使用率的不斷攀升有諸多優(yōu)點。首先（也許是最重要的一點），它永遠不需要更換，因為其固態(tài)壽命比汽車的使用壽命還要長。這使得汽車制造商能夠布設永久性的車艙嵌入式照明光源，而無需留有用于更換燈絲燈泡的通路。LED的其它特點還包括低功耗和極小的安裝空間。圖4示出了一輛現(xiàn)代化轎車中的眾多LED照明應用。在汽車內部，設有多個采用了各類LED的標準車內照明模塊。有的是單個LED，而其它的應用則需要采用一個陣列。另外，在車身外部照明中，LED的使用率也在迅速提高。例如，Audi的2004 A8型車就采用了一個高電流LED（基于Luxeon）用于驅動照明燈。同樣，即使在最普通的轎車或摩托車上，配備用于剎車/轉向信號照明裝置的彩色LED陣列也是司空見慣。
圖4  LED照明在現(xiàn)代化汽車中的典型應用

用于導航顯示器的LCD TFT背光照明
過去，汽車上的大屏幕（對角線尺寸為6_9英寸）TFT-LED都是采用CCFL（冷陰極熒光燈）來進行背光照明的。采用CCFL會帶來諸多問題。首先，驅動CCFL所需的高電壓電源不僅體積龐大，而且相當復雜。其次，CCFL燈泡本身的體積也比較大，且易發(fā)生故障。由于它位于照明裝置之內并嵌入在導航系統(tǒng)之中，所以一旦CCFL發(fā)生故障往往需要更換整個昂貴的照明裝置。
與之相反，白光LED陣列則是一種結構更加緊湊、可靠性更高的背光照明解決方案。由于功率調理電路較為簡單而緊湊，因此外形尺寸較小。LED及其電源的固態(tài)特性將令其使用期限輕松超越車輛的壽命。應該注意到這種背光照明方案所具有的極高效率（高達83%）將降低對散熱的要求，這一點也是很重要的。
凌特推出的LT3466是一款雙信道全功能升壓型DC/DC轉換器，專為以一個恒定的電流來驅動多達50個白光LED（每個轉換器最多可以驅動25個串聯(lián)的LED）而設計。采用LED串聯(lián)的方式能夠提供相等的LED電流，從而獲得均勻的亮度，并且免除了增設鎮(zhèn)流電阻器以及進行代價高昂的出廠校準之需。兩個獨立的轉換器能夠驅動不對稱的LED串。兩個LED串的調光控制也可單獨進行。LT3466是為汽車應用中的遠程信息處理/導航顯示器提供背光照明的理想選擇。
可以利用一個外部電阻器將LT3466的工作頻率設定在200kHz至2MHz的范圍之內，設計師因而能夠使開關噪聲遠離關鍵AM頻段。其它功能還包括LED斷接時的輸出電壓限制以及內部軟起動。

結語
    當今/未來汽車中專用性極強的電子子系統(tǒng)的快速增長以及LED照明的采用產生了對汽車應用中電源IC的苛刻性能要求。視電源在汽車電源總線上運作位置的不同，它們有可能承受負載突降和冷車發(fā)動條件。LED驅動器需要提供一個恒定的電流源，以便維持均勻的亮度（這與輸入電壓或LED正向電壓變化無關），并實現(xiàn)最高的工作效率。這兩種應用均要求其各自的DC/DC轉換器提供占位面積非常緊湊、且散熱效率很高的解決方案。面對這些汽車設計挑戰(zhàn)，凌特迎難而上，開發(fā)出了一個旨在滿足上述苛刻要求的完整電源管理產品系列，這樣，系統(tǒng)電源設計師在選擇其功率轉換解決方案時就能夠輕松地做出決定。