技术教程：面向汽车应用的线性调整器与开关调整器的比较

admin

多年来，人们一直预测低压差线性调整器(LDO)要退出在汽车领域的应用。但是，LDO调整器持续生存着甚至茁壮成长，因为它们的价格便宜且使用方便。本文中，我将阐述LDO调整器的复杂性，考察市场上的最新进展(确实有一些进展)，并分析随着汽车电源需求的持续攀升而向开关型调整器转移的趋势。

新型线性调整器

        线性调整器有什么新技术呢？让我们首先看看输出电容。目前，陶瓷电容都选择的是0402封装，大多数原因在于所改进的材料已经把它们的温度范围从125℃(257°F)提高到了150℃(302°F)，所改善的安装方法减少了热冲击并提高了抗振能力。这些电容的小尺寸减少了它们的感性成分，进一步提高了高频性能。但是，陶瓷电容的关键特性是其低的等效串联阻抗或ESR。

        基本的闭环线性调整器系统由一个误差放大器、输出驱动器和负载组成。图1到3详细描述了双极型线性调整器的闭环频率响应，在保持系统设置和输出容值相同的情况下，改变输出电容的ESR可以看到其影响。具有1欧姆ESR(图1)的电容为稳定的；而具有0.01欧姆非常低 ESR(图2)的电容就不稳定；具有3欧姆较大ESR(图3)的电容也不稳定。
         开关电源设计中有一条非常实用的经验法则：无论何时闭环增益大于或等于1，闭环相位永远不会落在360度的30度之内。

        大多数线性调整器并未给你提供测量稳定性曲线的可接入点。取而代之的是，芯片制造提供一组与输出电容的ESR数值相对应的曲线，显示哪些地方有可能出现稳定性问题。图4所示为输出电容ESR的不稳定区和稳定区的典型差异，它取决于因输出电流变化引起的输出调整器电压的变化。图5所示为输出电容数值上的不稳定和稳定区之间的差异。
         负载响应时间通常与IC稳定性产品区域呈相反的规律变化。环路响应时间一直被降低以提供更佳的稳定性。用一个外部输出电容可以补偿大多数瞬态需求。要确保为你的需求提供一个数值足够大的电容。要采用常用的电容方程：
         来根据系统负载的大小计算电容数值、瞬态时间和系统容许的输出电压降。

        无论调整器处于加载或待机状态下，静态电流都是一个重要的指标。历史上，静态电流不受重视。随着汽车电子系统的增加，对现有电池和交流发电机的使用已经达到了极限。半导体制造工艺对静态电流的大小有一定影响，对于以两种不同类型制造工艺生产的产品，我们可以看到典型性能特征所受到的影响。图6所示为以双极工艺生产的器件，而图7所示为以BCD工艺生产的器件。注意以BCD工艺制造的器件所具有的扁平线特性。
         采用双极工艺的器件在高负载上静态电流会增加；采用BCD工艺的器件在小负载和大负载时都保持低的静态电流。结果对模块的静态电流限制贡献较低。

节省电流

        在节省电流的控制中，你可以使用一种看门狗调整器(watchdog regulator)。看门狗调整器利用发往微处理器的唤醒信号实现节省电流。当微处理器指令正在开始运作时，一个协同信号由微处理器发回到电压调整器，向调整器提示它必须保持调整。一旦微处理器完成命令和指令，被发回调整器的反馈信号被取消。看门狗调整器识别这个事件，并把一个复位信号发回微处理器，将其关闭，如图8所示。最终结果是节省电流，直到微处理器需要再次发出协同信号。
         另一种节省调整器IC电流的方法是即刻关闭不需要工作的电路。只要不是立即要用的调整器电路，都可以关闭并工作在脉冲开/关模式。这种方案对于寒冷或室内温度下的轻负载条件最佳。器件的温度越高，漏电流就越大，工作就越复杂；环境温度的上升或片上电源导致的裸片温度上升，都会造成器件工作温度的上升。

        为此，越来越多的人选用双调整器(在一颗芯片上有两个独立的输出调整器)。有几种微处理器现在就需要采用双电源电压。一个电源(通常是较低的电压)为内核供电，第二个电源为I/O供电。降低内核电压，就可以把更多的晶体管集成到芯片中，而不会让器件温度超过其封装的限制。

        虽然使用双线性调整器(它使用更方便、更节省空间和成本)不节省静态电流，但是，却对节省功率和系统中的电源分配有贡献。节省电流是因为在双调整器内采用了共用电路，如带隙参考电压和电流源偏置线。

        在单芯片上集成多颗调整器IC，则使用方便、节省空间和成本，但是，受到IC中容许的功率大小的限制。

        改善封装就容许单个封装消耗更大的功率。通过采用金属引线框材料(暴露的焊盘, epad)，可以降低热阻。与塑料封装相比，金属连接的引脚更容易传导热耗散。图9所示为典型的暴露焊盘的封装。该器件采用的是300mil、16引脚SOW暴露焊盘封装，epad的面积为150 mil x 184 mil。
         使用中超过制造商对器件温度的限制(节点温度通常大约是150℃/302°F)，就可能要么立即损坏调整器，要么因硅、邦定线和塑料封装的热膨胀系数不同而引发的应力导致器件过早失效。随着温度的上升，故障率呈指数上升。人们正在研究提高这些电子元件的、可接受的工作温度的办法。

开关调整器

        除了我所描述的、已用过的所有新型线性调整器，开关调整器的用途也呈现增加的趋势。开关调整器比线性调整器要贵，因为外部元件数更多。对它们进行诊断也是隐性成本。本质上看，开关调整器所展示的特性，要具备处理电磁干扰问题能力的工程师才能用好。

        毫无疑问，开关调整器比LDO的效率更高。如表1所示，开关调整器的效率为90%，而LDO的效率为36%。图10显示了大块头开关调整器的典型效率曲线。
         线性调整器的功耗可以简单地计算为(忽略静态电流)负载电流乘以输入和输出之间的电压差。图11中的例子显示了调整器有9V的电压差，所以计算出的效率为35.7%，它与负载无关，但是，与输入电压有关，如下一个例子所描述的那样。
         提高线性调整器效率的唯一办法是降低其电压差。你在线性调整器旁边用上一个开关调整器(图12)就行，这样，线性调整器的输入为6V直流电压，而上面的例子中输入是14V直流电压。开关器件可以有效地把输入电压调低到更为可管理的电压并把该电压分配来驱动其它线性调整器。这种安排利用了开关调整器的高效率和线性调整器的低成本。由于线性调整器不必连接到电池，从而进一步节省了成本，因为可以采用更低电压的器件。
         如图13所示，跟图11中35.7%的效率相比，整个系统的效率经改善达到74.7%。
         另外一种减少电流消耗的办法是把开关调整器和线性调整器的功能组合起来。开关调整器在驱动其设计范围内的负载时最有效率。当输出电压的负载不重时，保持开关调整器开关工作所需要的电流与其说是一个属性不如说是一个负担。在这样的条件下，线性调整器的效率更高。

        图14所示的器件能够在线性调整器和开关调整器两种工作模式之间切换。该模块分为两个独立的工作部分：第一部分(绿色)支持系统担当一个升压开关调整器；第二部分(黄色)支持系统用作线性调整器。不受温度影响的电压参考源由两部分共享。工程师可以根据输出负载效率最大或EMI要求来选择改变工作模式。当负载非常轻时，线性调整器的效率较高；当负载较重时，开关调整器的效率较高。线性调整器的EMI性能永远优于开关调整器。
         开关调整器的其它应用包括启动汽车。采用现代防盗系统的汽车，在试图启动汽车时，要验证钥匙是属于这辆车的。来自引擎的重负载会造成电池电压的急剧下降，但是不能造成灯光变暗或验证过程中所涉及的微处理器复位。

        为了做到这一点，你需要能够为系统提供升压及降压的器件。其中一种办法是采用图15所示的SEPIC(单端初级线圈电感转换器)。电容C1必须能承受该系统正常的高压工作限制(就回扫脉冲而言)，并且该高压负载能够削去(包括其它瞬变脉冲)通过电感L1的脉冲。这意味着需要一个高压电容来维持最高的效率，电容的ESR要低，因为大电流要通过该器件。一些工程师讨厌流过电容的大电流。过热可能会导致可靠性问题或电容的老化(开路或短路)。
         解决该问题的另一个方案是采用配备双模转换器的通过区技术(pass-through zone technology)，这在降压和升压工作模式之间创造了平滑的转换区，与此同时，确保所需要的降压/升压操作。如图16所示。
         在正常的操作中，晶体管Q1担当降压开关调整器的工作，与此同时，控制电路保持Q2关闭。当Vbat的输入电压急剧下降时，Q1 100%打开而Q2启动该电路为升压开关调整器。电阻Rpassthrough帮助设置工作转换，其中有一个通过区，经调整的输出电压稍微变化以为工作模式的转换提供平滑的转换。

        现有汽车系统中可用的电力有限，从工程的观点看，开关调整器的效率比线性调整器要高很多。开关调整器具有最多的集成功能，但是，给系统增加的成本也最多。是现在最多功能的开关调整器，还是选择功能较少的线性调整器？这取决于消费者是否为此买单。