| 引言
由于汽車中持續增加電子系統以提高安全性、舒適性、效率和性能，同時最大限度減少有害尾氣排放，所以汽車需要物理尺寸更小、功率大得多的電源解決方案就不足為奇了。另外，隨著汽車中 EMI 敏感系統的激增，降低開關電源的 EMI 是至關重要，所以這給開關穩壓器 IC 設計帶來了更多挑戰。Strategy Analytics 公司研究指出：“未來 7 年，這需求將使半導體器件以每年 5% 的平均年復合增長率 (CAAGR) 增長，到 2021 年，總體市場規模將超過 410 億美元，而 2014 年這一數字為 289 億美元。”該公司分析發現，超過 40% 的收入將來自對微控制器和電源半導體器件的需求。
Strategy Analytics 對汽車中電子系統的增長提供了非常量化的預測，不過更有趣的是，在這種增長中，電源 IC 發揮了普遍的作用。這類新型電源 IC 設計必須具備以下特點：
- 在很寬的電壓范圍內提供可靠的性能，包括處理超過 36V 的瞬態
- 具超低電磁干擾 (EMI) 輻射
- 提供最高效率以最大限度減少過熱問題和優化電池運行時間
- 解決方案占板面積最小，需要非常大的功率密度以及 2MHz 或更高的開關頻率，以保持開關噪聲落在 AM 無線電頻段以外，同時保持解決方案占板面積非常小
- 具超低靜態電流 (<10µA) 以實現始終保持接通系統 (例如安保、環境控制和信息娛樂系統) 在引擎 (交流發電機) 不運轉的情況下保持工作狀態，同時不會消耗汽車的電池電量
提高電源 IC 性能的目的是，實現日益復雜和大量的電子系統設計。在汽車的每一個方面都能看到驅動這種增長的應用。例如，新型安全行車系統，這包括車道監視、自適應安全行車控制、自動轉向和前燈調光。信息娛樂系統 (車載多媒體系統) 也在持續演變，在一個已經很擁擠的空間中容納了越來越多的功能，該系統還必須支持日益增加的云應用。先進的引擎管理系統具備停 / 啟系統和大量采用電子產品的變速器和引擎控制系統，還有旨在同時提高性能、行車安全和舒適度的傳動系統以及底盤管理系統。10 年前，這些系統僅出現在高端豪華型汽車中，但是今天在每個制造商的汽車中都屬于常見系統，這進一步加速了汽車電源 IC 的增長。以下圖 1 顯示了今天的汽車中通常能夠見到的大量電子系統。
圖 1：汽車中的電子系統在激增
汽車系統中的瞬態
盡管汽車中的電池總線電壓通常為 12V (在 9V 至 16V 之間變化，取決于何時交流發電機充電)。此外，在各種臨時條件下，鉛酸電池電壓受多種變化影響。冷車發動和停-啟情況可能將電池電壓拉低至 3.5V，而拋載可能使電池總線電壓高達 36V。因此，電源 IC 必須能夠在多種輸入電壓變化情況下準確地調節輸出。在冷車發動 / 停-啟和拋載時，單節鉛酸電池的寬臨時電壓擺幅如圖 2 所示。請注意，合適的電源 IC (這里是 LT8640) 在出現上述情況時準確地調節了 3.3V 輸出。
圖 2：在 36V 負載突降瞬態和 4V 冷車發動情況下 LT8640 的表現
低 EMI 工作
因為汽車電氣環境有固有噪聲，而很多應用對電磁干擾 (EMI) 是敏感的，所以迫在眉睫的是，開關穩壓器不能加重 EMI 問題。由于一般情況下，開關穩壓器是輸入電源總線上的第一個有源組件，所以無論下游轉換器性能如何，開關穩壓器都會對總體轉換器 EMI 性能產生顯著影響。因此最大限度降低 EMI 是非常緊迫的任務。過去采用的解決方案是，使用一個 EMI 屏蔽盒，但是這極大地增大了解決方案的成本和尺寸，同時使熱量管理、測試和制造更加復雜。電源管理 IC 內部可以采取的另一種解決方案是降低內部 MOSFET 開關邊沿的速率。不過，這產生了不良的影響，降低了效率并延長了最短接通時間，影響了 IC 在 2MHz 或更高開關頻率時提供低占空比的能力。由于人們希望擁有高效率和小尺寸解決方案，所以這不是一個可行的解決方案。幸運的是，市場上已經推出了一些獨特的電源 IC 設計，以同時實現快速開關頻率、非常高的效率和很短的最短接通時間。這些設計一般具備低 20dB 以上的 EMI 輻射，同時提供 2MHz 開關頻率和 95% 的效率。有些還提供擴展頻譜功能，這可以將 EMI 輻射再降低 10dB。這樣的性能無需額外增加組件或屏蔽就可以實現，從而在開關穩壓器設計領域實現了重要突破。
高效率工作
汽車應用中電源管理 IC 高效率工作很重要，原因有二。首先，電源轉換效率越高，以熱量形式浪費的能量就越少。因為熱量是任何電子系統長期可靠性的敵人，所以必須有效管理熱量，這一般需要用散熱器實現冷卻，從而增大了整體解決方案的復雜性、尺寸和成本。其次，在混合動力或電動汽車中，浪費的任何電能都將直接減少其行駛里程。直到最近，高壓單片電源管理 IC 和高效率同步整流設計還是相互排斥的，因為所需要的 IC 工藝不能同時支持這兩種要求。過去，最高效率的解決方案是高壓控制器，這類控制器采用外部 MOSFET 實現同步整流。然而，與單片解決方案相比，對低于 25W 的應用而言，這樣的配置相對復雜和笨重。幸運的是，現在市場上已經出現了可通過內部同步整流同時提供高壓和高效率的新型電源管理 IC。
更小的電源轉換電路
有幾種方式可減小電源轉換電路。一般而言，電路中最大的組件不是電源 IC，而是外部電感器和電容器。通過將 IC 的開關頻率從 400kHz 提高到 2MHz，這些外部組件的尺寸可以大大減小 (解決方案占板面積可以減小 4 倍)。但是為了有效做到這一點，電源 IC 必須在較高頻率時提供高效率，這在以前一直是不可行的。不過，通過采用新的工藝和設計方法，已經開發出提供 95% 以上效率同時以 2MHz 切換的同步電源 IC。高效率工作最大限度降低了功耗，消除了對散熱器的需求。高效率工作還增加了可保持開關噪聲處于 AM 頻段以外的好處。
“始終保持接通”系統需要超低電源電流
很多電子子系統都需要在 “待機” 或 “保活” 模式工作，處于這種狀態時以穩定電壓吸取最低限度的靜態電流。在大多數導航、行車安全、安保以及引擎管理電子電源系統中都能看到這類電路。此外，這類子系統每個都可能含有幾個微處理器和微控制器。大多數豪華型汽車都內置超過 150 個這類 DSP，其中大約 20% 需要始終保持接通工作。在這類系統中，電源轉換 IC 必須以兩種不同的模式工作。首先，當汽車處于運行時，為這些 DSP 供電的電源轉換電路一般會以電池和充電系統饋送的滿電流工作。不過，當汽車點火系統關閉時，這些系統中的微處理器必須 “始終保持接通”，從而要求其電源 IC 提供恒定電壓，同時從電池吸取最低限度的電流。既然可能有超過 30 個這類始終保持接通的處理器同時工作，那么，即使當點火系統關閉時，對電池也有相當大的功率需求。總體而言，可能需要數百毫安電源電流為這些始終保持接通的處理器供電，這有可能在幾天時間內徹底耗盡一個電池的電量。
因此，這些電源 IC 的靜態電流需要大幅降低以延長電池壽命，且不增加電子系統的尺寸或復雜性。直到最近，對于 DC/DC 轉換器而言，高輸入電壓和低靜態電流要求還是相互排斥的參數。大約 10 年前，幾家汽車制造商為始終接通的 DC/DC 轉換器確定了一個 <100µA 的低靜態電流目標，但是今天，低于 10µA 已成為首選。幸運的是，現在已有新一代電源 IC 可用，這些 IC 在備用模式提供低于 2.5µA 靜態電流。
新型解決方案
直到現在，仍然沒辦法確保通過選擇電源 IC 使 EMI 得到抑制，并滿足效率要求。不過 LT8640 Silent Switcher® 穩壓器使得這么做成為可能。LT8640 是 Silent Switcher 高壓同步降壓型穩壓器系列的第二款器件。該器件是一款 5A (連續電流，峰值電流 7A)、42V 輸入同步降壓型開關穩壓器。正如在圖 3 中可以看到的那樣，在沒有啟動擴展頻譜功能時，EMI 輻射比汽車 CISPER 25 Class 5 峰值限制值低 10dB 至 30dB。在最關鍵的汽車頻段，擴展頻譜將這些輻射值再降低 5dB 至 10dB。與現有最新開關穩壓器相比，EMI 輻射合起來可降低超過 25dB。下圖中 LT8640 以 2MHz 頻率切換，負載電流為 4A，無需外部 EMI 屏蔽。
圖 3：有 / 沒有擴展頻譜時 LT8640 的EMI 輻射性能 (fSW=2MHz，ILOAD=4A)
圖 4 所示為 LT8640 的原理圖。同步整流無需任何外部二極管，從而提高了效率，同時減小了解決方案占板面積。這個原理圖電路采用 3.3µH 電感器，以 1MHz 開關頻率切換，提供 96% 的效率。不過，正如在圖 5 中所能看到的那樣，以 2MHz 頻率運行 LT8640 避開了與 AM 無線電頻段有關的任何干擾問題，且可以使用更小的 2.2µH 電感器，同時仍然提供 95% 的效率。LT8640 運用獨特設計，最大限度降低了開關損耗，使該器件能夠以 2MHz 或更高的開關頻率提供這么高的效率。
圖 4：LT8640 典型汽車應用原理圖，提供 5V 輸出
圖 5：圖 4 電路中的 LT8640 在 1MHz、2MHz 和 3MHz 時的效率曲線
LT8640 的 3.4V 至 42V 輸入電壓范圍使該器件非常適合汽車及工業應用。內部高效率開關在電壓低至 0.97V 時提供高達 5A 的連續輸出電流和 7A 峰值負載。其突發模式 (Burst Mode®) 工作僅消耗 2.5µA 靜態電流，從而非常適合汽車始終保持接通系統等應用，因為這類系統需要延長電池工作壽命。LT8640 的獨特設計在所有條件下保持了僅為 100mV (在 1A) 的最小壓差電壓，從而使該器件在汽車冷車發動等情況下表現出色。此外，短至僅為 40ns 的最短接通時間在 16V 輸入至 1.5V 輸出時實現了 2MHz 恒定頻率切換，從而使設計師能夠優化效率，同時避開關鍵噪聲敏感頻段。LT8640 的20 引線 3mm x 4mm QFN 封裝和高開關頻率允許使用很小的外部電感器和電容器，可構成占板面積緊湊的高熱效率解決方案。
結論
汽車中極端復雜的電子系統之迅速增加給電源管理 IC 提出了更高的要求。過去，大負載電流、高開關頻率和高效率設計合起來帶來了巨大的 EMI 挑戰。不過，LT8640 的獨特設計提供了高效率、快速切換，實現了占板面積非常緊湊的解決方案，而且 EMI 輻射超低，從而在電源 IC 領域樹立了全新標準。幸運的是，新一代同步電源 IC 現在已經可用，這為未來汽車中增加更多電子系統鋪平了道路。 |
