新型汽车设计需要降压-升压型转换器

引言

每年，汽车都采用更多的复杂电子系统，以最大限度地提高舒适度、安全性和性能，同时最大限度地降低有害气体排放。根据市场调查公司 Databeans的数据，从 2011 年到 2014 年，汽车半导体市场的年复合增长率将达到 9%。汽车中电子系统的日益增多受到了以下因素的驱动：新型安全系统、信息娱乐系统 (车载多媒体系统)、发动机和动力传动系统管理、卫星无线电和电视、LED 照明、蓝牙以及其他无线系统和后视摄像头。5 年前，这些系统仅在欧洲的高端豪华汽车中才能见到，但是现在，这些系统正集成到每一个制造商的中档汽车中，从而使汽车 IC 市场能以更快的速度增长。

汽车采用电子系统的一个主要驱动力是新型发动机和动力传动系统设计的采用，其中包括直接燃料喷射、停-启控制和各种不同的混合型 / 电动型汽车配置的采用。同时，世界各地的尾气排放标准变得越来越严格，而提高燃油里程的压力持续增加。然而，客户要求更高的性能。这些要求一度是相互排斥的，不过采用"智能"发动机控制系统、大量传感器和几个 DSP，使汽车制造商能实现更高的发动机效率，同时使发动机能以更清洁的方式运行。电子控制单元 (ECU) 正在快速普及，以优化汽车的多方面设计，例如发动机和动力传动系统管理、动态底盘控制等。总之，这些新系统改善了安全性、性能和驾驶员舒适度，有助于为我们所有人提供一个更清洁的环境。

随着汽车系统中电子组件数量的增多，可用空间持续压缩，这极大地增大了每个系统的密度。所有这些系统都需要电源转换 IC，通常这些 IC 有多种电压轨，以给每个子系统供电。传统上，线性稳压器满足了大部分这类电源转换需求，因为效率和小尺寸不是最重要的。但是随着功率密度提高了数个量级，加之很多应用需要在相对高的环境温度中运行，任何切实可行的散热系统都太大，没有足够的空间容纳。因此，电源转换效率变得至关重要了，这导致降压型开关稳压器取代了线性稳压器。不过，新出现的汽车设计需要开关稳压器提供恒定输出电压，而不管输入是否高于、低于或等于输出。新的电源 IC 无论输入电压摆幅多大，都能连续提供良好稳定的输出，这给电源管理 IC 造成了新的挑战。电源管理 IC 不仅必须提供坚固的设计，而且必须提供最高效率、最低静态电流和占板面积紧凑的解决方案。


电子系统的瞬态挑战：停/启、冷车发动和负载突降情况

为了最大限度地提高燃油里程，同时尽量降低碳排放，一些非传统型动力传动技术在不断发展。这些新技术无论是采用混合动力、清洁柴油发动机还是采用更传统内燃机设计，都有可能采用停-启电动机设计。在全世界所有混合动力设计中，几乎普遍采用了停-启电动机设计，很多欧洲和亚洲汽车制造商也将这类设计纳入了传统的汽油和柴油动力汽车中。美国福特公司不久前宣布，将在很多2012家用车型中采用停-启系统。

停-启发动机的概念很简单，当车辆停驶时，关闭发动机，然后在车辆加速之前的瞬间，立即重新启动发动机。当汽车在车流中或因红灯停驶时，这可以减少燃油消耗和尾气排放。这种停-启设计可将油耗及尾气排放量降低 5% 至 10%。不过，这类设计面临的最大挑战是要让驾驶员察觉不到整个停-启过程。要想让驾驶员察觉不到停-启过程，需要消除两大设计障碍。第一个是，利用增强的启动器设计，实现快速重启，有些汽车制造商已经将重启时间降至不到 0.5 秒，从而使停-启过程真正察觉不到。第二个设计挑战是，当发动机关闭时，保持所有电子系统 (包括直接由电池供电的空调) 正常运行，同时保持足够的电力储备，以在加速时快速重启发动机。

为了纳入停-启功能，动力传统系统的设计必须修改。也就是说，交流发电机也许还要兼作增强的电动机起动器，以确保快速重启。此外，必须增加停-启电子控制单元 (ECU)，以控制发动机何时以及怎样启动和停止。当发动机 / 交流发电机关闭时，电池必须能给车辆的各种灯、环境控制以及其他电子系统供电。此外，当再次需要发动机工作时，电池必须能给启动器供电。这种极端的电池加载操作引入了另一个设计挑战，这一次是电气方面的挑战，重启发动机需要吸取很大的电流，这又可能将电池电压暂时拉低至 4V，与图 1 所示的电压曲线十分类似。这对电子系统的挑战在于，当电池总线电压短暂地低于所需输出电压，然后当充电器返回稳定状态，电池总线电压又返回标称的 13.8V 电压时，要提供良好稳定的 5V (或更高的) 电压。


                                                                图 1：停-启和冷车发动时的瞬态电压