汽車(chē)電源集成電路的新應(yīng)用與新挑戰(zhàn)

　　引言

　　汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(lèi)電子系統(tǒng)的例子。5年前，這類(lèi)系統(tǒng)僅出現(xiàn)在歐洲“高檔”豪華型汽車(chē)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(chē)中，這使得汽車(chē)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(chē)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(hù)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(chē)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(chē)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(lèi)似的革命?？傊?，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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)安全保障、車(chē)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(chē)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(chē)安全保障、車(chē)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(chē)都有 60~100 個(gè)這樣的 DSP。大多數(shù) DSP 都以?xún)煞N不同的模式工作。首先，當(dāng)汽車(chē)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(chē)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(chē)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(lèi)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(chē)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(chē)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(chē)、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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)正在工作時(shí)電池電纜松動(dòng)或汽車(chē)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?？梢栽谕獠繉?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(chē)發(fā)動(dòng)是汽車(chē)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(chēng)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)應(yīng)用中的負(fù)載突降和冷車(chē)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(chē)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(hù)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(chē)環(huán)境中的熱限制

　　在汽車(chē)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(chē)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?chē)防火墻(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(chē)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(chē)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?chē)防火墻(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(chē)應(yīng)用專(zhuān)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(chē)中專(zhuān)用電子子系統(tǒng)在迅速增多，因此對(duì)汽車(chē)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(chē)電源總線上位置的不同，電源可能遇到負(fù)載突降和冷車(chē)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(chē)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(chē)中增加更多的電子系統(tǒng)鋪平了道路。