基于开关稳压器的汽车导航系统电源设计

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现代汽车不断增加越来越复杂的电子系统。市场调研公司 Allied Business Intelligence 预测，到 2007 年，汽车半导体市场将增长到一年超过 170 亿美元，而去年这一市场为 123 亿美元。另一家市场调研公司 Strategy Analytics 也持有同样乐观的看法：目前在一般的汽车中，电子系统成本占总成本的 20% 多，但是到 2008 年，这一比例将增长到超过 30%。防撞雷达、自适应巡航控制、轮胎压力监视、导航系统、免提蜂窝电话和其它无线连接以及生物识别访问系统都是这些电子系统的具体例子。
          　　不过，一个有极大增长的领域是基于 DVD/HDD 的导航系统。这类系统 1997 年推出，预计 2005 年全球销量将超过 1300 万台。就任何类型的电子产品而言，汽车应用环境都一直是非常严酷的，这并不让人感到意外。宽工作电压范围要求加上高瞬态电压和大的温度变化给电子系统很大的难题。更严重的是，性能要求不断增高，而且系统不同的部分需要多种不同的电源电压。
          　　今天生产的大多数中高档汽车都将基于 DVD 的GPS 导航系统作为标准设备提供。然而，设计一个处理这类系统中所有不同电压轨的电源可能像为笔记本 PC 设计电源系统一样复杂。一般的导航系统可能有 6 个或更多不同的电源，这包括 8V、5V、3.3V、2.5V、1.5V 和 1.2V 电源。8V 用于为旋转光盘的 DVD 电动机供电，这通常需要高达 2A 的峰值电流。5V 和 3.3V 电源轨一般用于系统总线，通常需要分别提供 2A ~ 3A 的电流。存储器和 I/O 都需要 2.5V 电源轨，因此 1A ~ 2A 的电流足够了。1.5V 和 1.2V 电源轨分别用于为 CPU 内核和 DSP 内核供电。这两个轨的功率通常分别为 3W~5W。图1显示了具有内置导航系统的汽车内部情况。
          　　同时，随着这些系统中的组件数增多，可用空间也越来越小了。因此，既然任何实际的散热系统都太大，无法轻易容纳到电子系统中，那么在空间限制和工作温度范围这些先决条件下，转换效率就变得更关键了。在低输出电压和甚至高于几百毫安的中等电流时，简单地用线性稳压器产生这些系统电压不再有实际意义。因此，在过去几年中，主要由于热量限制，开关稳压器一直在不断地取代线性稳压器。开关的好处包括效率提高和占板面积减小，与额外的复杂性和 EMI 问题相比，还是利大于弊的。
       
        考虑到这些限制因素，一个开关稳压器用于汽车导航系统时，需要具有以下特点：
          　　● 宽输入工作范围
          　　● 在宽负载范围内的高效率
          　　● 在正常工作、备用和停机时具有低静态电流
          　　● 低热阻
          　　● 噪声和 EMI 辐射最低
          　　● 负载突降抗毁性
          　　让我们来更详细地逐一考虑这些重要特性。
       
        宽输入工作范围
          　　任何开关稳压器都需要规定工作在 3V~60V的宽输入电压范围，以确保满足“冷车发动”和“负载突降”情况的要求。宽输入电压范围还有一个附加的好处：允许这些汽车系统在14V或42V电压上工作。而且，60V额定值为14V系统提供了良好的裕度，这种系统通常箝位在36V~40V的范围。
        效率
          　　在大多数汽车系统中，宽负载范围内的高效率电源转换都是极其重要的。例如，在10mA ~ 2.5A的负载范围内，5V输出希望的电源转换效率大约为 85%。在大电流时，内部开关需要有良好的饱和度，一般在 3A 时为 0.1Ω。为了提高轻负载时的效率，要降低驱动电流或者让驱动电流与负载电流成正比。内部控制电路也可以通过偏置引脚供电，而偏置引脚可以由输出供电。这利用了降压转换器的电源转换效率。实际上，这个偏置电流是从输出而不是输入获得的，这就按照输出与输入电压比降低了控制电路所需的输入电源电流。例如，一个在3.3V时为100mA 的输出电流在12V时仅需要平均 30mA 的输入电流。这最大限度地降低了控制电路所需的输入电流，并提高了轻负载时的效率。
       
        低静态电流
          　　有很多汽车系统应用需要连续功率，甚至在汽车停车后也是这样。这些应用的一个关键要求是低静态电流。在输出电流降至低于大约 100mA 之前，这种应用设备会一直以正常的连续开关模式工作。低于这一电流值以后，开关稳压器必须进行脉冲跳跃以维持稳定电压。稳压器在脉冲之间可以进入休眠模式，在这种模式中，只对部分内部电路供电。在轻负载电流时，开关稳压器需要自动切换到突发模式工作。就 12V~3.3V 的转换器而言，在这种模式中，静态电流应该降至低于100mA。内部基准和电源良好电路在休眠模式时将保持运行以监视输出电压。静态电流在停机时应该低于1mA。
       
        低热阻
          　　理想情况下，节点至外壳的热阻应该较低。如果器件的底面是露铜的并焊接到PC板表面，那么PC板可将热量从器件中传导出去。现在常用具有内部电源平面 的 4 层电路板可以实现40℃/W 范围内的热阻。对金属外壳热量有良好传导作用的高环境温度应用可实现的热阻接近10℃/W的典型节点至外壳热阻。这有助于扩大有用的工作温度范围。
       
        噪声与 EMI 辐射问题
          　　尽管开关稳压器比线性稳压器产生较大噪声，但是开关稳压器的效率却高得多。现在已经证明，在很多敏感应用中，噪声和 EMI 是可管理的，只要开关按预期工作就行。如果一个开关稳压器在正常工作模式时以恒定频率开关，切换边缘是干净并可预测的，没有过冲或高频振铃，那么就可以最大限度减小 EMI。小封装尺寸和高工作频率可以实现小且紧凑的布局，这也最大限度地减小了 EMI 辐射。此外，如果稳压器可以采用低 ESR 陶瓷电容器，那么输入和输出电压纹波都可以最大限度地减小，这种纹波是系统中噪声的附加来源。
       
        负载突降时不被损坏的能力
       
        “负载突降”指的是在交流发电机给电池充电时电池电缆断接的情形。图2显示了由负载突降引起的典型电流脉冲。这种突然断接可能产生高达60V的瞬态电压尖峰，因为交流发电机试图给电池完全充电。交流发电机上的瞬态电压抑制器通常把总线电压“箝位”于36V和60V之间，因而使得交流发电机的下游器件主端DC/DC转换器能够承受 60V 的瞬态“尖峰”。由于希望这些转换器以及由这些转换器供电的子系统在瞬态事件发生期间和发生以后正常工作，所以DC/DC转换器能够处理这种高瞬态电压是至关重要的。目前有各种可在外部实施的“保护”电路（通常是瞬态电压抑制器），但是这些电路增加了成本并需要占用宝贵的电路板空间。凌特公司的高压开关稳压器都能承受高达60V的瞬态电压，同时在不对系统性能或可靠性造成影响的前提下维持输出稳定。一般情况下，这些稳压器都是降压型或降压-升压型转换器，可经受由充电/电池系统中断引起的汽车电池和交流发电机的电压置换。
       
        ● 负载突降瞬态是由正在充电的电池意外断接引起的电压尖峰。
          　　● 负载突降瞬态规格为 36V ~ 60V，但是取决于具体使用的是哪一代电源以及所用的控制方法。
          　　● 如果不加抑制，负载突降瞬态可能损坏电源总线上的很多电子元件。
          　　具有内在高压瞬态和高效率要求的汽车子系统对电源设计提出了越来越高的要求。这些电源必须在非常紧凑的占板面积上提供大功率、高效率和低噪声，而且必须在宽输入电压范围内维持高效率。有些 DC/DC 转换器解决方案在高输入电压时可以满足上述部分要求，但是它们在低输入电压时无法保持高效率。很多这类转换器都有频率补偿电路，需要笨重的输入和输出电容器，这不仅增大了解决方案的总体尺寸，而且还导致高输出纹波电压。
          　　凌特公司最近推出的DC/DC转换器LT3434解决了上述汽车导航应用的很多关键问题，它属于一个不断扩大的 60V单片降压型开关稳压器系列。LT3434工作在3.3V~60V的宽输入电压范围，参见图 3。它在负载电流高达2.5A 时仍具有高效率。在所有电压、负载和温度条件下，其基准准确度均为±2%。
       
        由于具有能以突发模式（BurstMode）工作的特点，就 12V~3.3V应用而言，其静态电流低于 100uA。该器件采用小型扁平 TSSOP 封装，具有非常低的热阻，允许设计占板面积小的方案。最后，它采用电流模式拓扑以获得良好的瞬态响应和容易实现补偿，以及用获得专利的电路在所有占空比条件下保持恒定峰值开关电流。开关频率是恒定的 200kHz，而且该器件也可以与更高的频率同步。它在汽车温度范围内提供严格稳定的电压，并具有电源良好/复位、软启动和 UVLO 功能。该集成电路可为汽车降压型应用组成电流高达 2.5A 和坚固、高效且占板面积小的解决方案。
        结论
          　　尽管汽车导航系统设计非常复杂，而且要求高性能模拟DC/DC转换器，但是无需惊慌。像凌特公司这样的供应商正在推出一批“新潮”稳压器，这些稳压器兼有大量关键功能，使电源设计对系统工程师来说不再那么伤脑筋了。
         
           
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