汽车电子系统促进对多通道同步降压型转换器的需求

本文作者：

Jeff Gruetter

凌力尔特公司  产品市场经理

引言

为了提高行车安全性、舒适度、效率和性能，汽车中的电子系统密度一直在不断提高，因此汽车需要尺寸更小和性能更高的电源转换解决方案就不足为奇了。这类新型多通道电源管理解决方案需要提供多达 4 个独立的电源轨，其中 3 个通常用来给微处理器所需的 V_CORE、V_I/O 和 V_MEM 供电，第四个 5V 轨一般用来给 CAN 收发器供电。按照 Strategy Analytics 公司的研究结果："未来 7 年，对可行半导体器件的需求预计将以 5% 的平均年复合增长率 (CAGR) 增长，到 2021 年总体市场规模将超过 410 亿美元，而 2014 年市场规模为 300 亿美元。"该公司还预测，对微控制器和电源半导体的需求将产生超过 40% 的收入。

Strategy Analytics 针对汽车中电子系统的增长预测提供了量化描述，但是更令人感兴趣的是，电源 IC 在这种增长中发挥了无处不在的作用。这些新型电源 IC 必须：

1. 用单一电源管理 IC 提供多个电压轨
2. 跨多种电压范围提供可靠的性能，包括从 <4V 的冷车发动和停-启情况到超过 36V 的抛载瞬态
3. 提供从 5V 直至低于 1V 的输出范围
4. 具备超低电磁干扰 (EMI) 辐射
5. 提供尽可能的最高效率以最大限度减轻过热问题，并优化电池运行时间
6. 超低静态电流 (每个通道小于 10µA) 可使安全、环境控制和信息娱乐系统等始终保持导通的系统在汽车引擎 (交流发电机) 不运行的情况下保持工作状态，并不会耗尽汽车电池的电量
7. 提供占板面积最小的解决方案，且常常需要提供多个电压轨，以最大限度减少电源转换电路所需空间
8. 提供 2MHz 或更高的开关频率，以保持开关噪声在 AM无线电频段以外，并保持很小的解决方案占板面积

汽车中的电子系统日益增多、越来越复杂，提高电源 IC 性能的目的是允许设计适应这种状况的电子系统。促进汽车中电子系统增长的具体应用在汽车中到处都是。例如，新型行车安全系统包括车道监视、自适应行车安全控制、自动转向和前灯调光等。信息娱乐系统 (车载多媒体系统) 不断演变，在一个已经很拥挤的空间中不断塞入更多功能，但是现在还必须支持日益增加的云应用。采用了停/启系统的先进发动机管理系统以电子方式控制变速器和发动机。动力传动和底盘管理系统旨在同时提高性能、行车安全和舒适性。几年前，还仅能在"高端"豪华型汽车中见到这些系统，但是现在这些系统在每一家制造商的汽车中都属于常见配置了，这进一步加速了汽车电源 IC 市场的增长。

更小的电源转换电路

有几种方法可使电源转换电路更小。一般而言，电路中最大的组件不是电源 IC，而是外部电感器和电容器。通过将电源 IC 的开关频率从 400kHz 提高到 2MHz，这类外部组件的尺寸可以极大减小。不过，要有效实现这一目标，电源 IC 必须能够在这类较高的频率上具备高效率，这在以前是不可行的。然而，通过采用最新工艺和设计方法，已经开发出同步电源 IC，这类 IC 以 2MHz 切换时效率超过 90%。高效率工作最大限度降低了功耗，从而无需散热器。高效率工作还有一个附加的好处，即保持开关噪声位于 AM 频段以外，这对很多噪声敏感型电子系统而言是至关重要的。

另一种显著减小电源转换电路的方法是，当需要几个单独的输出电压轨时，用多输出转换器代替多个单独的器件。例如，当给一个微处理器供电时，大多数设计都需要 3 个独立的输出，以给微处理器所需的 V_CORE、V_I/O 和 V_MEM 供电，还需要第四个 5V 轨给 CAN 收发器供电，该收发器使微处理器能够与系统中其余电子组件通信。恰当设计的 4 输出转换器 IC 比相应的单输出转换器大得不是很多，而其解决方案占板面积却可能比 4 个单独的单输出转换器小一半以上，当比较采用 2MHz 开关频率的 4 输出稳压器和以 500kHz 运行的 4 个单输出稳压器时，尺寸的减小尤其有吸引力。此外，4 输出转换器用来最大限度减小不希望出现的通道间串扰，而 4 个相邻单输出转换器之间的串扰可能很成问题，除非这些转换器全部同步到一个公共时钟。增加外部时钟和同步会同时增大尺寸、复杂性以及电路成本。

工作时具很低的 EMI

因为汽车电气环境有固有噪声，很多应用易于受到电磁干扰 (EMI) 影响，所以极需关注的是，开关稳压器不能加重这类 EMI 问题。因为开关稳压器一般是输入电源总线上第一个有源器件，所以不论下游转换器好坏，开关稳压器都会显著影响转换器的总体 EMI 性能。因此，最大限度降低 EMI 迫在眉睫。过去所采取的解决是采用