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(jù)市場調查公司 Databeans的數(shù)據(jù)，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(xiàn)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(xiàn)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@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(shù)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(shù)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(xiàn)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(nèi)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(xiàn)快速重啟，有些汽車制造商已經(jīng)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ⅰ４送?，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

“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(xiàn)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(chǎn)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)

“始終保持接通”系統(tǒng)需要超低電源電流

很多電子子系統(tǒng)都要以備用或“保持有效”模式工作，以在處于這種狀態(tài)時，在穩(wěn)定電壓情況下吸取最低限度的靜態(tài)電流。在大多數(shù)用于導航、行車安全、車輛安全以及發(fā)動機管理的電源系統(tǒng)中，都能見到這類電路。這類子系統(tǒng)中的每一個都可能采用幾個微處理器和微控制器。大多數(shù)豪華車中都有超過 100 個這類 DSP，其中 10% 到 20% 以兩種不同模式運行。首先，當汽車正在運行時，給這些 DSP 供電的電源一般會以電池和充電系統(tǒng)饋送的滿電流工作。然而，當汽車點火裝置關閉時，這些系統(tǒng)中的微處理器必須保持有效，從而要求它們的電源 IC 提供恒定電壓，同時從電池吸取最低限度的電流。因為同時運行的這類始終保持接通之處理器可能超過 20 個，所以，即使點火裝置關閉，對電池的功率需求也相當大。總之，可能需要數(shù)百毫安 (mA) 的電源電流以給這些始終保持接通的處理器供電，這又可能在幾天時間內(nèi)徹底耗盡電池電量。例如，如果一輛汽車的高壓降壓型轉換器每個需要 2mA 至 10mA 的電源電流，那么來自車輛安全系統(tǒng)、GPS 系統(tǒng)和遙控車門開啟系統(tǒng)的 20 個轉換器，加上 ABS 剎車等其他必須始終保持接通的系統(tǒng)和電動開窗系統(tǒng)的漏電流，就有可能使你在一次延長的 3 周商務旅行之后，發(fā)現(xiàn)汽車電池的電量已經(jīng)耗盡，從而導致無法發(fā)動引擎。這些電源的靜態(tài)電流需要極大地降低，以無需增加電子系統(tǒng)的尺寸或復雜性，就能保護電池壽命。直到最近，就 DC/DC 轉換器 IC 而言，高輸入電壓能力和低靜態(tài)電流一直是兩個相互排斥的參數(shù)要求。

為了更好地滿足這些需求，幾家汽車制造商設定了每個始終保持接通的 DC/DC 轉換器的 50uA 低靜態(tài)電流目標。直到最近，系統(tǒng)制造商一直被要求并聯(lián)連接低靜態(tài)電流 LDO 和降壓型轉換器，并在每次汽車熄火時，從轉換器切換到電流低得多的 LDO。這導致解決方案昂貴、笨重且相對低效。

可用的解決方案

如前所述，汽車電池總線處于不同情況時，其電壓可能變化很大?？磥恚S著停-啟系統(tǒng)和汽車電子控制單元 (ECU) 以及其他電子產(chǎn)品的普遍采用，即使總線電壓短暫降至低于所需輸出電壓，電源系統(tǒng)也必須無縫運行。過去汽車電源僅需要采用降壓型穩(wěn)壓器，而現(xiàn)在新型應用要求當總線電壓降至低于所需輸出時，汽車電源 IC 還能提供升壓功能。例如，如果一個 ECU需要 5V 軌而且必須在冷車發(fā)動、停-啟和負載突降情況下正常運行，這會發(fā)生什么情況? 當輸入電壓在冷車發(fā)動或啟-停情況下低于 5V 時，電源 IC 必須充當升壓型轉換器，提供固定 5V 電壓，然而當交流發(fā)電機發(fā)揮作用，輸入升高到 13.8V 時，電源 IC 必須充當降壓型穩(wěn)壓器。類似地，在負載突降情況下，即使輸入上升到 36V，電源 IC 也必須連續(xù)提供 5V 電壓。此外，從升壓到通過再到降壓型轉換器的轉換必須是完全無縫的，因為 ECU需要不間斷和良好穩(wěn)定的 5V 電壓。

凌力爾特的 LTC3115-1 同步降壓-升壓型轉換器可使用多種電源，例如單節(jié)鋰離子電池、24V / 28V 工業(yè)電源軌、40V 汽車總線輸入等，能提供高達 2A 的連續(xù)輸出電流。其 2.7V 至 40V 的輸入和輸出范圍使該器件非常適用于汽車系統(tǒng)。如圖 3 所示，該器件僅需要單個電感器和極少的外部組件。它在輸入高于、低于或等于穩(wěn)定輸出時，能提供良好穩(wěn)定的輸出，從而非常適用于汽車應用，因為在汽車應用中，不管輸入電壓變化范圍多寬，都需要良好的穩(wěn)壓輸出。于 LTC3115-1 中采用的低噪聲降壓-升壓型拓撲在降壓和升壓模式之間提供連續(xù)和無抖動的轉換，從而為噪聲敏感型應用進行了優(yōu)化。LTC3115-1 的開關頻率是用戶可編程的，范圍為 100kHz 至 2MHz，并可同步至一個外部時鐘。專有第三代降壓-升壓型 PWM 電路確保低噪聲和高效率，同時最大限度地減小了外部組件的尺寸。纖巧的外部組件與 4mm x 5mm DFN 或 TSSOP-20E 封裝相結合，可構成占板面積緊湊的解決方案。

LTC3115-1 采用了 4 個內(nèi)部低 RDS (ON) N 溝道 MOSFET，以在典型的汽車應用中提供高達 94% 的效率 (參見圖 4)。用戶可選的突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作將靜態(tài)電流降至僅為 50uA，從而提高了輕負載效率，并延長了始終保持接通系統(tǒng)的電池運行時間。就噪聲敏感型應用而言，突發(fā)模式工作可以禁止。其他功能包括內(nèi)部軟啟動、可編程欠壓保護、短路保護和輸出斷接。

圖 3：LTC3115-1 典型汽車應用原理圖

圖 4：LTC3115-1 典型汽車應用原理圖的效率曲線

結論

汽車中非常專業(yè)化的電子子系統(tǒng)迅速增加，給汽車應用中的電源 IC 提出了嚴格的性能要求。視電源在汽車電源總線上所處位置的不同，電源可能受到停-啟、冷車發(fā)動和負載突降情況的影響，而且無論輸入低于、高于或等于所需輸出，都必須能準確地調節(jié)輸出電壓。此外，這類系統(tǒng)中有些將以需要最小電源電流的“始終保持接通”備用模式運行。隨著汽車中增加越來越多電子系統(tǒng)，最大限度地減小解決方案占板面積同時盡量提高效率也變得至關重要了。幸運的是，有些電源 IC 設計師已經(jīng)開發(fā)出可滿足這些需求的解決方案，從而為將來在汽車中增加更多電子產(chǎn)品鋪平了道路。