汽车内部电子系统的功耗问题

现在，汽车制造商正不断地把越来越复杂的电子系统整合到汽车里。AlliedBusinessIntelligence公司预测，汽车半导体市场的年销售额将从去年的123亿美元上升到2007年的170亿美元。另一家公司的战略分析员也提出同样的观点：对于现在一部普通的汽车来说，电子系统的成本将占整部汽车的20%以上，但是，到2008年，这个比重将提高到30%。典型的车载电子系统包括：防撞击雷达、自适应巡航控制、轮胎气压监测、导航系统、免提式蜂窝电话和其他的无线连接，以及利用生物特征参数的接入。
　　
一个显著的增长体现在DVD/HDD导航系统上。第一部DVD/HDD导航系统是在1997年问世的，今年这类系统在全球的销量预计将超过1,300万台。对于任何类型的电子产品而言，汽车的环境仍然是非常苛刻的。要求较大的工作电压范围，加上很高的瞬变电压，温度变化范围很大，这些问题合在一起，对电子系统提出了巨大的挑战。此外，对电子系统性能的要求也越来越高，而且，还需要能够为系统内的各个不同部件提供不同的电压。
　　
现在所生产的大多数汽车中、高档汽车都把DVD全球定位导航系统作为汽车里的一个标准设备。然而，要在这样的系统里设计一个能够满足所有不同电压要求的电源，其复杂程度和设计一个笔记本电脑的电源不相上下。一个典型的导航系统至少需要六种电压：8V、5V、3.3V、2.5V、1.5V和1.2V。8V电压是用来给DVD马达供电的，它用于带动光盘旋转，在通常情况下，需要高达2A的峰值电流。5V和3.3V电压一般是供给系统总线的，它们都需要2A至3A的电流。1.5V和1.2V电压分别是CPU内核和DSP内核的供电电压，这两路电压的功率一般在3W到5W之间。
　　
同时，元器件的数量却在不断地增加，而可用的空间却越来越小。由于实际需要发散的热量太大了，很难把热量散发出去。因为空间受到限制，而且要求工作温度在一定范围内，所以，转换效率也就变得越来越重要。当输出电压很低而电流适中（约在几百毫安培以上）时，就无法简单地用一个线性稳压器来产生这些系统所需要的电压。于是，在过去的几年里，主要是因为在热量方面的限制，开关稳压器正渐渐地取代了线性稳压器。开关稳压器的好处是：效率较高，尺寸较小，这些好处超过了它的复杂性和电磁干扰的问题。
　　
对于计划在汽车导航系统中使用的开关稳压器来说，由于考虑到存在上述这些限制，那么，它就必须具备以下这些功能和特点：
●输入工作电压范围宽；
●在整个较宽的负载范围内的效率高；
●在正常的工作模式、待机模式和关机模式下，静态电流都必须很低；
●热阻小；
●噪声和电磁干扰都很小。
　　
输入电压工作范围宽。任何开关稳压器的输入电压范围都必须在3V至60V之间，只有这样，才能满足“冷启动”和“大负载”的要求。它还具有别的好处，即汽车系统既可以在14V的电压下运行，也可以在42V的电压下运行。此外，使用60V的额定电压的另一个好处是这样能够给14V系统留出一个空间，从而可以把电压控制在36V到40V这个范围内。再者，有了这个60V的额定电压，这个设备将来也就可以用于新的42V系统。也就是说，一个14V系统的设计可以很容易地升级到42V系统，不必重新做很多设计。
　　


效率。对于大多数汽车系统而言，在一个较宽的负载范围内保持较高的功率转换效率是很重要的。例如，对于输出电压为5V、负载在10mA到2.5A之间的应用来说，功率转换效率预计为85%。当电流很大时，内部开关必须完全饱和，在一般情况下，在电流为3A时，功耗为0.1W。为了提高轻载效率，可以降低驱动电流，或者让驱动电流与负载电流成比例。此外，还可以通过一个偏置引脚给内部控制电路供电，这个引脚可以用输出电压来供电。这利用了降压转换器的功率转换效率高的优点。偏置电流是由输出而不是由输入得到的，因此控制电路从供电电源吸收的电流就减少了，减少的倍数是输入电压与输出电压的比值。对输入电流源的要求。例如，当输出电压为3.3V，输出电流为100礎，这时需要从12Ｖ电压提供的平均输入电流是30礎。这样减少了控制电路所需要的电流，从而提高了轻载时的效率。
　　
静态电流小。汽车系统里的许多产品即使在汽车停止不动的时候也需要源源不断地供给电力。对于这些产品来说，一个重要的指标是静态电流要小。如果输出电流不低于100mA，那么，这个设备就一直在正常的开关模式下运作。当电流低于100mA时，开关稳压器必须跳过一些脉冲，维持稳压作用。在两个脉冲之间稳压器可以进入深度休眠模式，在这个模式下，只对内部的一部分电路供电。在负载电流很小时，开关稳压器要自动地切换到猝发模式。在这个模式下，12V至3.3V的转换器的静态电流会下降到100礎以下。在休眠模式下，内部参考电压和电源正常指示电路仍然工作，以监视输出电压。在关机状态下，静态电流应低于1礎。
　　
热阻小。在理想状态下，半导体结到外壳的热阻应该很小。如果器件背面的铜是裸露的，而且是焊接在印刷电路板的表面，那么，就可以通过这个印刷电路板把这个器件上的热量散发出去。如今经常使用的四层电路板，中间有一层是功率层，它的热阻在40℃/W的范围内。对于在周围温度较高的环境中使用的产品，它们热量传给金属外壳的导热性能很好，热阻接近半导体结至外壳的热阻，通常是10℃/W，从而扩大了有效工作温度的范围。 噪声和电磁干扰问题

开关稳压器产生的噪音比线性稳压器的大，但是，它们的效率高很多。在许多容易受噪音影响的产品中，只要开关电源的性能是可以预先知道的，那么，噪声和电磁干扰的大小是可以控制的。如果开关稳压器在正常模式下开关频率是固定的，在开和关时上升沿和下降沿也很干净并且可以预测，不存在过冲或者高频衰减振荡，因而降低电磁干扰。它的封装尺寸小，工作频率高，可以把电路布置得很紧凑，很小，从而降低了电磁干扰辐射。此外，如果这个稳压器可以使用等效串联电阻很小的陶瓷电容器，那么，就能够降低输入电压纹波和输出电压纹波，这是系统里的另一个噪声源。
　　
显然，设计和开发这类开关稳压器并不是件简单的事情。然而，最新的一个高压直流-直流转换器的例子是电压可以达到60V的降压开关稳压器单片集成电路。它的输入电压范围为3.3V至60V（图1），当负载电流高达2.5A时，效率很高。在所有的输入电压、负载和温度条件下，参考电压的精度为±2%。

在猝发模式下，它的静态电流低于100礎，适合输入电压为12V至3.3V的产品。这个器件采用厚度很薄的TSSOP封装，热阻非常小，适合尺寸很小的设计。最后，它使用了电流模式电路，具有良好的瞬态响应，容易补偿，并且使用一种拥有专利权的电路，在占空比为任何数值时保持开关中的峰值电流恒定。它的开关频率是固定的200kHz，此外，这个产品可以同更高的频率同步。在整个汽车的温度范围内，它的稳压性能很好，并且提供电源正常信号/复位、软启动和UVLO功能。这个电路是一个可靠的、高效率的降压转换器解决办法，电流高达2.5A，尺寸很小，适合汽车使用。
　　
尽管汽车导航系统的设计非常复杂，而且需要高性能的模拟直流-直流转换器，但是，不必为此而担心。供应商正在推出一种“新一波”稳压器浪潮，它结合了大量必不可少的功能，把系统工程师从繁重的电源设计工作中解放出来。