新型汽車設計需要具超低I_Q的高壓同步降壓型轉換器

摘要：汽車中非常復雜的電子系統之快速增加使得對電源管理 IC 的性能要求更高了。視電源在汽車電源總線上工作部位的不同，電源可能遇到停/啟、冷車發動和負載突降情況，而且必須在這類情況發生時，能夠自始至終準確地調節輸出電壓。此外，有些這類系統會以始終保持接通的備用模式工作，需要最小的電源電流。因此，最大限度地減小解決方案占板面積同時最大限度地提高效率也變得至關重要了。

關鍵詞：I_Q；高壓同步降壓型轉換器；電池總線

DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.10.012

引言

每年，汽車都納入越來越復雜和越來越多的電子系統，以最大限度地提高舒適度、安全性和性能，同時盡量降低有害氣體排放。根據市場調查公司Databeans的研究，從 2012 年到 2014 年，汽車半導體市場預計將以 9% 的年復合增長率增長。進一步促進汽車中電子系統日益增多的因素是：新的安全系統、信息娛樂系統 (車載多媒體系統)、引擎、動力傳動系統和底盤管理、衛星無線電和電視、LED 照明、藍牙和其他無線系統以及后視攝像頭。幾年前，這些系統僅能在“高端”豪華型汽車中見到，但是現在，這些系統在每一個汽車制造商的中檔汽車中都能見到，從而促使了汽車 IC 市場以更快的速度增長。

汽車中電子系統增加的另一個關鍵驅動因素是采用了新型發送機和動力傳動系統設計。這些新型設計包括：直接燃料噴射、引擎停-啟控制、以及各種不同的混合型 / 電動型汽車配置。這些系統的目標是最大限度地降低有害氣體排放，同時提高燃料燃燒效率和汽車的總體性能。這些要求一度是相互排斥的，現在采用“智能”引擎控制系統、大量傳感器和幾個 DSP后，汽車制造商能憑借“更干凈”地運行的引擎來實現更高的引擎效率。電子控制單元 (ECU) 正在快速增多，以優化很多方面的汽車設計，其中包括引擎和動力傳動系統管理以至動態底盤控制。總之，這些新型系統提高了安全性、性能和駕駛員的舒適度，并有助于為我們所有人提供一個更加干凈的環境。

隨著汽車系統中電子組件數量的增多，可用空間在持續縮小，從而極大地提高了每個系統的密度。所有這些系統都需要電源轉換 IC，而且通常有多個電壓軌以適用于每一個子系統。傳統上，線性穩壓器可以滿足大部分這類電源轉換需求，因為效率和小尺寸不是很重要。但是隨著電源密度提高了數個數量級，而且很多應用都需要在相對較高的環境溫度下工作，任何適用的散熱器都太大了，無法包括在內。因此，要最大限度地減少以熱量形式損失的功率，電源轉換效率就變得至關重要了，這促使降壓型開關穩壓器取代了線性穩壓器。然而，新出現的汽車設計要求，甚至在電源電壓變化范圍非常寬、靜態電流非常低和開關頻率非常高的情況下，開關穩壓器也要提供非常高的效率，而在實現所有這一切的同時，還要提供占板面積非常緊湊和高成本效益的解決方案。

圖1 在 36V 負載突降瞬態和 4V 冷車發動情況下LT8610 的電壓曲線

電子瞬態挑戰：停/啟、冷車發動和負載突降情況

停-啟系統

為了最大限度地提高燃油里程，同時又可盡量降低二氧化碳排放量，其他可替代的動力傳動技術一直在發展。無論這些新技術采用了混合電動、清潔柴油還是更傳統的內燃設計，它們都有可能還采用了停/啟電動機設計。停/啟電動機設計幾乎已經普遍出現于世界各地所有混合型設計中，很多歐洲和亞洲的汽車制造商也已經開始在傳統的汽油和柴油汽車中采用停/啟系統。在美國，福特汽車公司最近宣布，將在很多 2012 家用車型中采用這類系統。

不過，停/啟系統給電源管理系統帶來了另一個挑戰。首先，在引擎/ 交流發電機關閉時，電池必須能給汽車的各種燈、環境控制以及其他電子系統供電。此外，當引擎再次重啟時，電池必須能給啟動器供電。再啟動時，這種極端的電池加載情況又引入了另一個設計挑戰，這一次是電氣方面的挑戰，因為重啟引擎需要吸取大量電流，這有可能暫時將電池電壓拉低至 4V，這個變化過程與圖 1 所示的冷車發動電壓曲線相當類似。當充電器返回穩定狀態、電池總線電壓短暫低于標稱的13.8V 時，要提供一個良好穩定和僅比輸入低幾百毫伏的輸出，以保持關鍵系統不間斷運行，這時對電子系統的挑戰就出現了。

冷車發動

當汽車引擎經受寒冷或冰凍溫度一段時間以后，“冷車發動”的情況就會發生。引擎油變得極度粘稠，需要啟動器發動機提供更大的扭矩，這反過來又從電池吸取了更大的電流。這種大電流負載可能在一點火時，將電池 / 主總線電壓拉至低于 4.0V，點火完成之后，電壓一般返回標稱的 13.8V。這種情況給汽車電源總線帶來的電氣結果可在圖 1 中看到，但是這種結果可能由不同的原因造成。就引擎控制、安全和導航系統等一些應用而言，當務之急是需要良好穩定的輸出電壓 (至少3V)，以順利通過冷車發動情況，在汽車啟動時實現連續運行。

負載突降

電池電纜斷接，而交流發電機仍然在給電池充電，這時發生的情況即是“負載突降”。汽車運行時電池電纜松動，或汽車運行時電池電纜斷裂，都可能發生這種情況。這種電池電纜的突然斷接可能產生高達60V 的瞬態電壓尖峰，因為交流發電機正在嘗試給“不存在”的電池充滿電。交流發電機上的瞬態電壓抑制器通常將總線電壓箝位在 30V 至 34V 之間，并吸收大部分浪涌，不過，交流發電機下游的 DC/DC 轉換器承受了高達 36V 的瞬態電壓尖峰，如圖 1 所示。人們不僅期望這些轉換器不被損壞，而且這些轉換器還必須在這種瞬態事件發生期間持續調節輸出電壓。

圖2 LT8610 用于提供 5V/2.5A 輸出的汽車應用典型原理圖

高效率工作

汽車應用中電源管理 IC 的高效率工作是十分重要的，這出于兩個主要原因。首先，電源轉換效率越高，以熱量形式浪費的能量就越少。就任何電子系統的長期可靠性而言，熱量都是大敵，因此必須有效控制熱量，控制熱量一般需要散熱器，這增大了解決方案的復雜性、尺寸和成本。其次，在混合型或電動型汽車中，任何電能的浪費都將直接縮短汽車能行駛的路程。直到不久前，高壓單片電源管理 IC 和高效率同步整流設計還是相互排斥的，因為所需的 IC 工藝不能同時實現這兩個目標。歷史上，效率最高的解決方案是高壓控制器，這類控制器用外部 MOSFET 實現同步整流。然而就低于15W的應用而言，與單片解決方案相比，這樣的配置相對復雜和笨重。幸運的是，市場已有能同時提供高壓 (高達 42V)、高效率和內部同步整流的新型電源管理 IC。

“始終保持接通”系統需要超低電源電流

人們要求很多電子子系統以“備用”或“保持有效”模式工作，從而在這類狀態下以穩定的電壓吸取最小的靜態電流。在大多數導航、行車安全、車輛安全和引擎管理電子電源系統中，都能見到這類電路。每一個這樣的子系統都可能使用幾個微處理器和微控制器。大多數豪華型汽車都有超過 100 個這類內置的 DSP，其中約 20% 需要始終保持接通工作。在這類系統中，電源轉換 IC 必須以兩種不同的模式工作。首先，當汽車運行時，給這些 DSP 供電的電源一般會以電池和充電系統饋送的滿電流工作。不過，當汽車點火系統關閉時，這些系統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，同時從電池吸取最小的電流。既然可能有超過 20 個這種始終保持接通的處理器同時工作，那么即使點火系統關閉了，對電池也存在極大的功率需求?？傮w上，可能需要數百 mA 的電源電流給這些始終保持接通的處理器供電，這可能在幾天之內就徹底耗盡電池的電量。例如。如果一輛汽車的每個高壓降壓型轉換器都需要 2mA 至 10mA 的電源電流，那么來自車輛安全系統、GPS 系統和遙控車門開啟系統以及 ABS 剎車等其他必須始終保持接通的系統之 20 個這類轉換器，再加上電動車窗的漏電流，就有可能使車主在完成一次漫長的 3 周商務旅行之后會發現電池電量已經耗盡，從而無法運轉引擎。這些電源的靜態電流必須極大地降低，以在不增加電子系統尺寸或復雜性的前提下，延長電池壽命。直到不久前，高輸入電壓和低靜態電流這兩個 DC/ DC 轉換器 IC 的參數還是相互排斥的。

為了更好地滿足這些需求，幾家汽車制造商確立了低靜態電流目標，即每個始終保持接通的 DC/DC 轉換器的靜態電流 <10mA。直到不久前，還要求系統制造商并聯連接低靜態電流 LDO 和降壓型轉換器，并在兩者之間切換，以在汽車引擎未運轉時，降低從電池吸取的電流。這導致了昂貴、笨重且效率相對低的解決方案。

一種新型解決方案

凌力爾特的 LT8610 是第一個高壓同步降壓型穩壓器系列。其 3.4V 至42V 的輸入電壓范圍使該器件非常適用于汽車應用，因為這類應用既會遇到冷車發動或停-啟情況下的低壓瞬態，又會遇到負載突降情況下的高壓瞬態。其 2.5A 的連續輸出電流和能夠提供 V_IN - 200mV 至 0.97V 的輸出電壓，使該器件非常適用于很多直接靠電池總線運行的汽車軌。該器件可構成簡單和占板面積非常緊湊的解決方案，無需任何外部二極管，如圖 2 所示。

其同步整流設計包括內部頂端和底端 MOSFET，以提供高達 96% 的效率。當用標稱 12V 的輸出給一個 5V負載供電時，即使在相對高的 800kHz開關頻率情況下，該器件也可以提供超過 95% 的效率。這種高效率工作最大限度地減少浪費的功率，而且即使在空間最受限的應用中，也無需散熱器。在電動型汽車和混合型汽車中，這可以直接轉化為一次充電行駛距離的延長。