【導讀】現代汽車不斷增加越來越復雜的電子系統。目前在一般的汽車中，電子系統成本占總成本的 20% 多，但是到 2008 年，這一比例將增長到超過 30%。防撞雷達、自適應巡航控制、輪胎壓力監視、導航系統、免提蜂窩電話和其它無線連接以及生物識別訪問系統都是這些電子系統的具體例子。
不過，一個有極大增長的領域是基于 DVD/HDD 的導航系統。這類系統 1997 年推出，預計 2005 年全球銷量將超過 1300 萬臺。就任何類型的電子產品而言，汽車應用環境都一直是非常嚴酷的，這并不讓人感到意外。寬工作電壓范圍要求加上高瞬態電壓和大的溫度變化給電子系統很大的難題。更嚴重的是，性能要求不斷增高，而且系統不同的部分需要多種不同的電源電壓。
今天生產的大多數中高檔汽車都將基于 DVD 的GPS 導航系統作為標準設備提供。然而，設計一個處理這類系統中所有不同電壓軌的電源可能像為筆記本 PC 設計電源系統一樣復雜。一般的導航系統可能有 6 個或更多不同的電源，這包括 8V、5V、3.3V、2.5V、1.5V 和 1.2V 電源。8V 用于為旋轉光盤的 DVD 電動機供電，這通常需要高達 2A 的峰值電流。5V 和 3.3V 電源軌一般用于系統總線，通常需要分別提供 2A ~ 3A 的電流。存儲器和 I/O 都需要 2.5V 電源軌，因此 1A ~ 2A 的電流足夠了。1.5V 和 1.2V 電源軌分別用于為 CPU 內核和 DSP 內核供電。這兩個軌的功率通常分別為 3W~5W。圖1顯示了具有內置導航系統的汽車內部情況。
同時，隨著這些系統中的組件數增多，可用空間也越來越小了。因此，既然任何實際的散熱系統都太大，無法輕易容納到電子系統中，那么在空間限制和工作溫度范圍這些先決條件下，轉換效率就變得更關鍵了。在低輸出電壓和甚至高于幾百毫安的中等電流時，簡單地用線性穩壓器產生這些系統電壓不再有實際意義。因此，在過去幾年中，主要由于熱量限制，開關穩壓器一直在不斷地取代線性穩壓器。開關的好處包括效率提高和占板面積減小，與額外的復雜性和 EMI 問題相比，還是利大于弊的。
考慮到這些限制因素，一個開關穩壓器用于汽車導航系統時，需要具有以下特點：
● 寬輸入工作范圍
● 在寬負載范圍內的高效率
● 在正常工作、備用和停機時具有低靜態電流
● 低熱阻
● 噪聲和 EMI 輻射最低
● 負載突降抗毀性
讓我們來更詳細地逐一考慮這些重要特性。
寬輸入工作范圍
任何開關穩壓器都需要規定工作在 3V~60V的寬輸入電壓范圍，以確保滿足“冷車發動”和“負載突降”情況的要求。寬輸入電壓范圍還有一個附加的好處：允許這些汽車系統在14V或42V電壓上工作。而且，60V額定值為14V系統提供了良好的裕度，這種系統通常箝位在36V~40V的范圍。
效率
在大多數汽車系統中，寬負載范圍內的高效率電源轉換都是極其重要的。例如，在10mA ~ 2.5A的負載范圍內，5V輸出希望的電源轉換效率大約為 85%。在大電流時，內部開關需要有良好的飽和度，一般在 3A 時為 0.1Ω。為了提高輕負載時的效率，要降低驅動電流或者讓驅動電流與負載電流成正比。內部控制電路也可以通過偏置引腳供電，而偏置引腳可以由輸出供電。這利用了降壓轉換器的電源轉換效率。實際上，這個偏置電流是從輸出而不是輸入獲得的，這就按照輸出與輸入電壓比降低了控制電路所需的輸入電源電流。例如，一個在3.3V時為100mA 的輸出電流在12V時僅需要平均 30mA 的輸入電流。這最大限度地降低了控制電路所需的輸入電流，并提高了輕負載時的效率。
低靜態電流
有很多汽車系統應用需要連續功率，甚至在汽車停車后也是這樣。這些應用的一個關鍵要求是低靜態電流。在輸出電流降至低于大約 100mA 之前，這種應用設備會一直以正常的連續開關模式工作。低于這一電流值以后，開關穩壓器必須進行脈沖跳躍以維持穩定電壓。穩壓器在脈沖之間可以進入休眠模式，在這種模式中，只對部分內部電路供電。在輕負載電流時，開關穩壓器需要自動切換到突發模式工作。就 12V~3.3V 的轉換器而言，在這種模式中，靜態電流應該降至低于100mA。內部基準和電源良好電路在休眠模式時將保持運行以監視輸出電壓。靜態電流在停機時應該低于1mA。
低熱阻
理想情況下，節點至外殼的熱阻應該較低。如果器件的底面是露銅的并焊接到PC板表面，那么PC板可將熱量從器件中傳導出去。現在常用具有內部電源平面 的 4 層電路板可以實現40℃/W 范圍內的熱阻。對金屬外殼熱量有良好傳導作用的高環境溫度應用可實現的熱阻接近10℃/W的典型節點至外殼熱阻。這有助于擴大有用的工作溫度范圍。
噪聲與 EMI 輻射問題
盡管開關穩壓器比線性穩壓器產生較大噪聲，但是開關穩壓器的效率卻高得多。現在已經證明，在很多敏感應用中，噪聲和 EMI 是可管理的，只要開關按預期工作就行。如果一個開關穩壓器在正常工作模式時以恒定頻率開關，切換邊緣是干凈并可預測的，沒有過沖或高頻振鈴，那么就可以最大限度減小 EMI。小封裝尺寸和高工作頻率可以實現小且緊湊的布局，這也最大限度地減小了 EMI 輻射。此外，如果穩壓器可以采用低 ESR 陶瓷電容器，那么輸入和輸出電壓紋波都可以最大限度地減小，這種紋波是系統中噪聲的附加來源。
負載突降時不被損壞的能力
“負載突降”指的是在交流發電機給電池充電時電池電纜斷接的情形。圖2顯示了由負載突降引起的典型電流脈沖。這種突然斷接可能產生高達60V的瞬態電壓尖峰，因為交流發電機試圖給電池完全充電。交流發電機上的瞬態電壓抑制器通常把總線電壓“箝位”于36V和60V之間，因而使得交流發電機的下游器件主端DC/DC轉換器能夠承受 60V 的瞬態“尖峰”。由于希望這些轉換器以及由這些轉換器供電的子系統在瞬態事件發生期間和發生以后正常工作，所以DC/DC轉換器能夠處理這種高瞬態電壓是至關重要的。目前有各種可在外部實施的“保護”電路（通常是瞬態電壓抑制器），但是這些電路增加了成本并需要占用寶貴的電路板空間。凌特公司的高壓開關穩壓器都能承受高達60V的瞬態電壓，同時在不對系統性能或可靠性造成影響的前提下維持輸出穩定。一般情況下，這些穩壓器都是降壓型或降壓-升壓型轉換器，可經受由充電/電池系統中斷引起的汽車電池和交流發電機的電壓置換。
● 負載突降瞬態是由正在充電的電池意外斷接引起的電壓尖峰。
● 負載突降瞬態規格為 36V ~ 60V，但是取決于具體使用的是哪一代電源以及所用的控制方法。
● 如果不加抑制，負載突降瞬態可能損壞電源總線上的很多電子元件。
具有內在高壓瞬態和高效率要求的汽車子系統對電源設計提出了越來越高的要求。這些電源必須在非常緊湊的占板面積上提供大功率、高效率和低噪聲，而且必須在寬輸入電壓范圍內維持高效率。有些 DC/DC 轉換器解決方案在高輸入電壓時可以滿足上述部分要求，但是它們在低輸入電壓時無法保持高效率。很多這類轉換器都有頻率補償電路，需要笨重的輸入和輸出電容器，這不僅增大了解決方案的總體尺寸，而且還導致高輸出紋波電壓。
凌特公司最近推出的DC/DC轉換器LT3434解決了上述汽車導航應用的很多關鍵問題，它屬于一個不斷擴大的 60V單片降壓型開關穩壓器系列。LT3434工作在3.3V~60V的寬輸入電壓范圍，參見圖 3。它在負載電流高達2.5A 時仍具有高效率。在所有電壓、負載和溫度條件下，其基準準確度均為±2%。
由于具有能以突發模式（BurstMode）工作的特點，就 12V~3.3V應用而言，其靜態電流低于 100uA。該器件采用小型扁平 TSSOP 封裝，具有非常低的熱阻，允許設計占板面積小的方案。最后，它采用電流模式拓撲以獲得良好的瞬態響應和容易實現補償，以及用獲得專利的電路在所有占空比條件下保持恒定峰值開關電流。開關頻率是恒定的 200kHz，而且該器件也可以與更高的頻率同步。它在汽車溫度范圍內提供嚴格穩定的電壓，并具有電源良好/復位、軟啟動和 UVLO 功能。該集成電路可為汽車降壓型應用組成電流高達 2.5A 和堅固、高效且占板面積小的解決方案。
結論
盡管汽車導航系統設計非常復雜，而且要求高性能模擬DC/DC轉換器，但是無需驚慌。像凌特公司這樣的供應商正在推出一批“新潮”穩壓器，這些穩壓器兼有大量關鍵功能，使電源設計對系統工程師來說不再那么傷腦筋了。
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