专为在苛刻的汽车环境中得到广泛应用而设计的电源IC

Jeff Gruetter

产品市场工程师

凌力尔特公司

汽车每年都在不断地配备日益复杂的电子系统，旨在最大限度地提升车辆的舒适性、安全性和性能，同时尽可能地减少有害物的排放。市场调查公司Strategy Analytics提出了一个有趣的观点，即：电子系统在一辆标准汽车的总成本中所占的比例将从目前的22%以上一路飚升，到2009年将超过33%。信息娱乐系统（车载智能通信系统）、安全系统、引擎管理、卫星无线电和电视、LED照明、蓝牙（Bluetooth）和其他无线系统及后视镜照相机等便是这些电子系统的实例。5年前，这些系统还仅见于欧洲的“高档”豪华型轿车，而今，它们已经进入了各家制造商的中档汽车，从而加快了汽车IC的发展步伐。

推动汽车电子系统应用的一个重要因素是引擎控制管理。每年，全球的汽车尾气排放标准都在变得愈发严格、耗油量的要求日益提高，而客户对汽车性能的期望值仍在不断地攀升。虽然这些曾经是相互抵触的要求，但随着“智能”引擎控制系统、众多传感器和一些DSP的采用，使得汽车制造商能够获得更高的引擎效率水平和更加节能环保的引擎。电子系统在安全、车内环境控制、照明、导航、无线连接和底盘控制系统方面也在开展相似的重大变革。总之，这些新型系统改善了汽车的安全性、性能以及驾驶者的舒适度，并有助于为人类提供一个更加清洁的环境。

随着这些汽车系统中电子元件数量的增多，可用空间日趋狭小，因而极大地增加了每个系统的电子元件密度。所有这些系统都需要功率转换IC，此类IC通常具有多个电压轨，以满足各个子系统的要求。传统上，这些功率转换需求大多由线性稳压器来提供，因为高效率和小尺寸并不是最重要的。但是，当功率密度增加了一个数量级，而且许多应用要求相对较高的环境工作温度时，任何可用的散热装置都因为过于庞大而无法适应。由于这些空间和工作温度范围的限制，功率转换效率变得至关重要。在低输出电压、甚至中等电流水平（几百毫安）条件下，简单地采用线性稳压器来生成这些电压将不再是一种切实可行的方法，因为它们会产生过多的热量。由于这些热限制的原因，开关稳压器开始逐步取代线性稳压器。尽管存在着设计复杂性增加和EMI问题，但采用开关电源所带来的好处（包括效率的提高以及占板面积的减小）却更为人们所看重。

“始终保持接通”的系统需要超低的（IQ < 100μA）电源电流

许多电子子系统需要在“待机”或“保持运行”模式中运作，并在这种状态中吸收极小的静态电流。在大多数导航、安全、防护和引擎管理电子电源系统中都能够看到这些电路。这些子系统均有可能采用多个微处理器和微控制器。大多数豪华型轿车都安装了60～100个这样的DSP，其中的10%至20%将工作于两种不同的模式。首先，当汽车处于运行状态时，为这些DSP供电的电源通常将提供满工作电流（由电池和充电系统来馈送）。然而，当汽车的点火装置关闭时，这些微处理器必须保持“运行”，因而要求其电源IC提供一个恒定的电压，并从电池吸收极小的电流（小于100μA）。由于导航、防护、车内环境控制和引擎管理系统所需的这些“始终保持接通”的处理器有可能达20个以上，因此即使在点火装置关闭时对电池的功率需求仍然很大。为了给这些始终保持接通的处理器供电，总共可能需要几百毫安（mA）的电源电流，这样，大约几天的时间便会将电池的电量完全耗尽。例如，如果一辆汽车的高电压降压型转换器各需2～10mA的电源电流，那么20个用于防护系统、GPS系统和遥控车门锁系统的此类转换器、加上其他必须始终保持接通的系统（比如：ABS刹车）以及电动车窗的漏电流，在经历了2～3周的长途商务旅行之后便有可能耗尽电池的储能，从而导致无法发动引擎。为了在不增加电子系统的外形尺寸和复杂性的情况下延长电池的使用寿命，必需大幅度地减小这些电源的静态电流。直到最近，对于DC/DC转换器IC而言，高输入电压能力和低静态电流这两项要求仍然是互斥参数。

为了更好地应对这些要求，多家汽车制造商为每个始终保护接通的DC/DC转换器制定了一个100μA的“目标”低静态电流。直到最近，系统制造商仍旧需要将一个低静态电流LDO与一个降压型转换器并联起来，而且每当车辆停驶时都将从该转换器切换至一个电流低得多的LDO。这样形成的解决方案不仅成本昂贵、体积庞大，而且效率也相对低下。凌力尔特推出能够承受36V至60V输入电压、<100μA降压型DC/DC转换器系列见表1。例如：LT3680能够从高至36V的输入电压提供高达3.5A的输出电流，且无负载静态电流仅为75μA。所有此类功能均被集成在一个有引线、耐热增强型MSOP-10E封装或3mm x 3mm DFN封装之中，从而提供了一种针对“始终保持接通”问题、外形结构和效率均有大幅度改善的解决方案。

表1：由凌力尔特提供的高电压、低静态电流开关稳压器

电子系统面临的挑战：负载突降情况和冷车发动情况

“负载突降”指的是电池电缆在交流发电机仍在向电池充电的过程中发生断接的状态。当电池电缆出现松动（汽车处于操作状态时）或断裂（汽车处于行驶状态时）时，就会发生这种情况。当交流发电机试图对电量耗尽的电池进行满充电时，电池电缆的这种突然断接会产生高达60V的瞬态电压尖峰；图1和图2给出了这些36V和60V瞬变的图形表示。交流发电机上的瞬态电压抑制器通常会把总线电压箝位于36V至60V之间，并吸收大部分的浪涌电流；然而，位于交流发电机下游的DC/DC转换器仍将承受这些36V至60V的瞬变电压尖峰。由于希望这些转换器能够安然度过该瞬变过程，并在某些场合中调节一个输出电压，因此至关重要的是它们能够处理这些高电压瞬变。可以采用多种可在外部实现的其他保护电路（常常是瞬态电压抑制器）；不过，这样会导致成本增加，并占用宝贵的板级空间。

“冷车发动”条件在车辆引擎经受了一段时间的低温或冰点温度的情况下出现。引擎润滑油变得非常粘滞，而且要求起动机电机提供更大的扭矩，而这反过来又需要从电池获得更多的电流。在点火时，该大电流负载会把电池/主总线电压拉至4.0V以下，之后它一般将恢复至12V的标称值（见图1）。在冷车发动过程中，某些应用（比如：引擎控制、安全和导航系统）不可避免地需要一个经过调节的输出电压（通常为3.3V），以便继续工作。

图1：36V负载突降和冷车发动情况

图2：60V负载突降和冷车发动情况

解决方案已经面市

针对所需的输出电流和瞬变保护水平，凌力尔特提供了多款能够在冷车发动和负载突降情形下正常运作，且所需的静态电流小于100μA的开关稳压器（见表1）。LT3480便是一例，这是一款输入瞬变保护能力高达60V的2A、38V降压型开关稳压器。其突发模式（Burst Mode）操作可在无负载待机条件下将静态电流抑制在70μA以下。

LT3480的3.6V至38V输入电压范围和60V瞬变保护使其非常适合于汽车应用中常见的负载突降和冷车发动条件。在图1中，LT3480将在36V瞬变过程中调节一个3.3V输出。在图2中，LT3480实际上将在瞬态电压超过41.5V时关断，以保护自己和下游电路。当瞬态电压降至38V以下时，LT3480将返回调节状态。

其3A内部开关能够在电压低至0.79V的条件下提供高达2A的连续输出电流。它需要的外部元件极少，并可实现高达90%的效率（见图3）。LT3480的突发模式操作提供了仅70μA的无负载静态电流（见图4），这非常适合于诸如汽车或电信系统等需要执行始终保持接通的操作和最佳电池使用寿命的应用。用户可以在200kHz至2.4MHz的范围内设置开关频率，因而使得设计师能够优化效率，同时避开对噪声敏感的关键频段。其3mm x 3mm DFN-10封装（或耐热增强型MSOP-10E封装）和高开关频率的组合可将外部电感器和电容器保持得很小，从而提供了占位面积非常紧凑且热效率很高的解决方案。

图3：LT3480原理图和效率曲线图

图4：LT3480无负载静态电流与输入电压的关系曲线

LT3480采用了高效率3A、0.25Ω开关，并把必需的升压二极管、振荡器、控制和逻辑电路集成在单颗芯片中。低纹波突发模式操作在低输出电流条件下保持了高效率，并把输出纹波抑制在15mVPK-PK以下。特殊设计方法和一种新型高电压工艺的运用在一个很宽的输入电压范围内获得了高效率，而其电流模式拓扑结构则实现了快速瞬态响应和出色的环路稳定性。其他特点包括外部同步（250kHz至2MHz）、电源良好标记和软起动功能。

汽车环境中的散热难题

在汽车应用中，除了严酷的电环境之外，热环境也具有同样的挑战性。由于分享汽车内部宝贵空间资源的电子产品越来越多，热管理因而成为了至关紧要的问题。引擎罩下的应用通常需要125°C或更高的环境工作温度，而诸如导航/信息娱乐系统等主要的电子产品则由于其既靠近具有高环境温度的汽车隔火板、又具有非常高的电子元件密度，因此面临着散热难题。所有的电子元件都会把一部分电能作为热量耗散掉。控制功率转换器中发热量的关键在于首先必需最大限度地提高每个转换器的效率，由此把作为热量而消耗的功率降至最少。这成为了过去的几年中开关稳压器逐渐取代LDO的推动因素之一。

除了任何给定的器件效率以外，每个功率转换器还应该采用散热效率非常高的封装（以有效地将热量传导至远离IC的地方），这一点也是很重要的。凌力尔特通过给其汽车器件采用目前散热效率最高的封装实现了该目标。无引线封装（例如：DFN以及MSOP和TSSOP）均采用了耐热增强型设计，它们在封装的底部安置了导热衬垫，相比传统的封装，可把热阻减小至少两倍。

为了适应最苛刻的高温度应用（比如：引擎罩下的应用），凌力尔特推出了一个“H”级转换器系列，该系列的器件能够在结温达到140°C或150°C（视器件而定，见表2）的条件下正常工作。这些产品的总表见下文的表2。转换拓扑结构包括LDO、高电压单片式开关稳压器和控制器。

以一个采用12V标称工作电压并调节一个5V、1.5A输出的应用为例。LDO提供的效率仅为41%，功耗达10.5W，这就需要采用许多的散热措施，否则即使在80°C的温度条件下也有可能发生热故障。相反，开关稳压器（例如：图5中的LT3508）的工作效率可达8 %，在外部消耗的功率仅为0.8W。当它采用θJA为40°C/W的TSSOP-16E封装时，意味着温升将为32°C。这使得工业等级器件（125°C）能够在93°C的环境温度条件下工作，而“H”等级器件则可在108°C的环境温度下运作。

图5：LT3508 12VIN（标称值）、5VOUT和3.3VOUT 及合成效率稳压器

表2：H级电源稳压器

结论

汽车中专用性极强的电子子系统的快速发展对汽车应用中的电源IC提出了严格的性能要求。视电源在汽车电源总线上工作位置的不同，它们可能很容易遭受负载突降和冷车发动条件以及高环境温度。此外，在这些系统当中，有些还将在始终保持接通的待机模式中运作，需要极小的电源电流。随着汽车中电子系统使用量的日益增加，在最大限度地提高热效率的同时尽可能地缩减解决方案的占板面积也是至关重要的。幸运的是，有些电源IC设计师已经开发出了旨在满足这些要求的解决方案，从而为未来汽车中电子产品使用率的进一步提高铺平了道路。