隨著汽車系統(tǒng)中電子組件數(shù)量的增多，可用空間持續(xù)壓縮，這極大地增大了每個系統(tǒng)的密度。所有這些系統(tǒng)都需要電源轉換 IC，通常這些 IC 有多種電壓軌，以給每個子系統(tǒng)供電。傳統(tǒng)上，線性穩(wěn)壓器滿足了大部分這類電源轉換需求，因為效率和小尺寸不是最重要的。但是隨著功率密度提高了數(shù)個量級，加之很多應用需要在相對高的環(huán)境溫度中運行，任何切實可行的散熱系統(tǒng)都太大，沒有足夠的空間容納。因此，電源轉換效率變得至關重要了，這導致降壓型開關穩(wěn)壓器取代了線性穩(wěn)壓器。不過，新出現(xiàn)的汽車設計需要開關穩(wěn)壓器提供恒定輸出電壓，而不管輸入是否高于、低于或等于輸出。新的電源 IC 無論輸入電壓擺幅多大，都能連續(xù)提供良好穩(wěn)定的輸出，這給電源管理 IC 造成了新的挑戰(zhàn)。電源管理 IC 不僅必須提供堅固的設計，而且必須提供最高效率、最低靜態(tài)電流和占板面積緊湊的解決方案。

　　電子系統(tǒng)的瞬態(tài)挑戰(zhàn)：停/啟、冷車發(fā)動和負載突降情況

　　為了最大限度地提高燃油里程，同時盡量降低碳排放，一些非傳統(tǒng)型動力傳動技術在不斷發(fā)展。這些新技術無論是采用混合動力、清潔柴油發(fā)動機還是采用更傳統(tǒng)內(nèi)燃機設計，都有可能采用停-啟電動機設計。在全世界所有混合動力設計中，幾乎普遍采用了停-啟電動機設計，很多歐洲和亞洲汽車制造商也將這類設計納入了傳統(tǒng)的汽油和柴油動力汽車中。美國福特公司不久前宣布，將在很多2012家用車型中采用停-啟系統(tǒng)。

　　停-啟發(fā)動機的概念很簡單，當車輛停駛時，關閉發(fā)動機，然后在車輛加速之前的瞬間，立即重新啟動發(fā)動機。當汽車在車流中或因紅燈停駛時，這可以減少燃油消耗和尾氣排放。這種停-啟設計可將油耗及尾氣排放量降低 5% 至 10%。不過，這類設計面臨的最大挑戰(zhàn)是要讓駕駛員察覺不到整個停-啟過程。要想讓駕駛員察覺不到停-啟過程，需要消除兩大設計障礙。第一個是，利用增強的啟動器設計，實現(xiàn)快速重啟，有些汽車制造商已經(jīng)將重啟時間降至不到 0.5 秒，從而使停-啟過程真正察覺不到。第二個設計挑戰(zhàn)是，當發(fā)動機關閉時，保持所有電子系統(tǒng) (包括直接由電池供電的空調(diào)) 正常運行，同時保持足夠的電力儲備，以在加速時快速重啟發(fā)動機。

　　為了納入停-啟功能，動力傳統(tǒng)系統(tǒng)的設計必須修改。也就是說，交流發(fā)電機也許還要兼作增強的電動機起動器，以確保快速重啟。此外，必須增加停-啟電子控制單元 (ECU)，以控制發(fā)動機何時以及怎樣啟動和停止。當發(fā)動機 / 交流發(fā)電機關閉時，電池必須能給車輛的各種燈、環(huán)境控制以及其他電子系統(tǒng)供電。此外，當再次需要發(fā)動機工作時，電池必須能給啟動器供電。這種極端的電池加載操作引入了另一個設計挑戰(zhàn)，這一次是電氣方面的挑戰(zhàn)，重啟發(fā)動機需要吸取很大的電流，這又可能將電池電壓暫時拉低至 4V，與圖 1 所示的電壓曲線十分類似。這對電子系統(tǒng)的挑戰(zhàn)在于，當電池總線電壓短暫地低于所需輸出電壓，然后當充電器返回穩(wěn)定狀態(tài)，電池總線電壓又返回標稱的 13.8V 電壓時，要提供良好穩(wěn)定的 5V (或更高的) 電壓。

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　　圖 1：停-啟和冷車發(fā)動時的瞬態(tài)電壓

　　“冷車發(fā)動” 是汽車發(fā)動機處于寒冷或冰凍溫度一段時間后而起動的情況。這時機油變得十分粘稠，要求電動機起動器提供更大的扭矩，這回從電池吸取更大的電流。這種大電流負載在點火時，可能將電池 / 主總線電壓拉低至 4.0V，之后，電池總線電壓一般返回標稱的 13.8V。汽車電源總線的電氣表現(xiàn)看起來與圖 1 所示停-啟系統(tǒng)的情況非常類似，但是它們的原因卻很不相同。至關重要的是，在發(fā)生冷車發(fā)動情況時，發(fā)動機控制、行車安全、導航系統(tǒng)等應用需要良好穩(wěn)定的輸出電壓 (通常為 5V)，以在車輛啟動時連續(xù)運行。

　　“負載突降” 是指當電池電纜斷接同時交流發(fā)電機仍然給電池充電的情況。當電池電纜連接不牢固同時汽車在運行時，或當電池電纜斷裂同時汽車在運行時，可能發(fā)生“負載突降”情況。這種電池電纜的突然意外斷接可能產(chǎn)生高達 60V 的瞬態(tài)電壓尖峰，因為交流發(fā)電機試圖給不存在的電池滿充電。交流發(fā)電機上的瞬態(tài)電壓抑制器通常將總線電壓箝位在 30V 到 34V 之間，并吸收大部分浪涌。不過，交流發(fā)電機下游的 DC/DC 轉換器遭受了高達 36V 的瞬態(tài)電壓尖峰。人們希望這些轉換器不僅能承受這樣的電壓尖峰而不被損壞，而且在這種瞬態(tài)事件發(fā)生期間，還必須能連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓。

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　　圖 2：36V 負載突降情況下的電壓瞬態(tài)

　　“始終保持接通”系統(tǒng)需要超低電源電流

　　很多電子子系統(tǒng)都要以備用或“保持有效”模式工作，以在處于這種狀態(tài)時，在穩(wěn)定電壓情況下吸取最低限度的靜態(tài)電流。在大多數(shù)用于導航、行車安全、車輛安全以及發(fā)動機管理的電源系統(tǒng)中，都能見到這類電路。這類子系統(tǒng)中的每一個都可能采用幾個微處理器和微控制器。大多數(shù)豪華車中都有超過 100 個這類 DSP，其中 10% 到 20% 以兩種不同模式運行。首先，當汽車正在運行時，給這些 DSP 供電的電源一般會以電池和充電系統(tǒng)饋送的滿電流工作。然而，當汽車點火裝置關閉時，這些系統(tǒng)中的微處理器必須保持有效，從而要求它們的電源 IC 提供恒定電壓，同時從電池吸取最低限度的電流。因為同時運行的這類始終保持接通之處理器可能超過 20 個，所以，即使點火裝置關閉，對電池的功率需求也相當大。總之，可能需要數(shù)百毫安 (mA) 的電源電流以給這些始終保持接通的處理器供電，這又可能在幾天時間內(nèi)徹底耗盡電池電量。例如，如果一輛汽車的高壓降壓型轉換器每個需要 2mA 至 10mA 的電源電流，那么來自車輛安全系統(tǒng)、GPS 系統(tǒng)和遙控車門開啟系統(tǒng)的 20 個轉換器，加上 ABS 剎車等其他必須始終保持接通的系統(tǒng)和電動開窗系統(tǒng)的漏電流，就有可能使你在一次延長的 3 周商務旅行之后，發(fā)現(xiàn)汽車電池的電量已經(jīng)耗盡，從而導致無法發(fā)動引擎。這些電源的靜態(tài)電流需要極大地降低，以無需增加電子系統(tǒng)的尺寸或復雜性，就能保護電池壽命。直到最近，就 DC/DC 轉換器 IC 而言，高輸入電壓能力和低靜態(tài)電流一直是兩個相互排斥的參數(shù)要求。

　　為了更好地滿足這些需求，幾家汽車制造商設定了每個始終保持接通的 DC/DC 轉換器的 50uA 低靜態(tài)電流目標。直到最近，系統(tǒng)制造商一直被要求并聯(lián)連接低靜態(tài)電流 LDO 和降壓型轉換器，并在每次汽車熄火時，從轉換器切換到電流低得多的 LDO。這導致解決方案昂貴、笨重且相對低效。

　　可用的解決方案

　　如前所述，汽車電池總線處于不同情況時，其電壓可能變化很大。看來，隨著停-啟系統(tǒng)和汽車電子控制單元 (ECU) 以及其他電子產(chǎn)品的普遍采用，即使總線電壓短暫降至低于所需輸出電壓，電源系統(tǒng)也必須無縫運行。過去汽車電源僅需要采用降壓型穩(wěn)壓器，而現(xiàn)在新型應用要求當總線電壓降至低于所需輸出時，汽車電源 IC 還能提供升壓功能。例如，如果一個 ECU需要 5V 軌而且必須在冷車發(fā)動、停-啟和負載突降情況下正常運行，這會發(fā)生什么情況? 當輸入電壓在冷車發(fā)動或啟-停情況下低于 5V 時，電源 IC 必須充當升壓型轉換器，提供固定 5V 電壓，然而當交流發(fā)電機發(fā)揮作用，輸入升高到 13.8V 時，電源 IC 必須充當降壓型穩(wěn)壓器。類似地，在負載突降情況下，即使輸入上升到 36V，電源 IC 也必須連續(xù)提供 5V 電壓。此外，從升壓到通過再到降壓型轉換器的轉換必須是完全無縫的，因為 ECU需要不間斷和良好穩(wěn)定的 5V 電壓。

　　凌力爾特的 LTC3115-1 同步降壓-升壓型轉換器可使用多種電源，例如單節(jié)鋰離子電池、24V / 28V 工業(yè)電源軌、40V 汽車總線輸入等，能提供高達 2A 的連續(xù)輸出電流。其 2.7V 至 40V 的輸入和輸出范圍使該器件非常適用于汽車系統(tǒng)。如圖 3 所示，該器件僅需要單個電感器和極少的外部組件。它在輸入高于、低于或等于穩(wěn)定輸出時，能提供良好穩(wěn)定的輸出，從而非常適用于汽車應用，因為在汽車應用中，不管輸入電壓變化范圍多寬，都需要良好的穩(wěn)壓輸出。于 LTC3115-1 中采用的低噪聲降壓-升壓型拓撲在降壓和升壓模式之間提供連續(xù)和無抖動的轉換，從而為噪聲敏感型應用進行了優(yōu)化。LTC3115-1 的開關頻率是用戶可編程的，范圍為 100kHz 至 2MHz，并可同步至一個外部時鐘。專有第三代降壓-升壓型 PWM 電路確保低噪聲和高效率，同時最大限度地減小了外部組件的尺寸。纖巧的外部組件與 4mm x 5mm DFN 或 TSSOP-20E 封裝相結合，可構成占板面積緊湊的解決方案。

　　LTC3115-1 采用了 4 個內(nèi)部低 RDS (ON) N 溝道 MOSFET，以在典型的汽車應用中提供高達 94% 的效率 (參見圖 4)。用戶可選的突發(fā)模式 (Burst Mode?) 工作將靜態(tài)電流降至僅為 50uA，從而提高了輕負載效率，并延長了始終保持接通系統(tǒng)的電池運行時間。就噪聲敏感型應用而言，突發(fā)模式工作可以禁止。其他功能包括內(nèi)部軟啟動、可編程欠壓保護、短路保護和輸出斷接。

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　　圖 3：LTC3115-1 典型汽車應用原理圖

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　　圖 4：LTC3115-1 典型汽車應用原理圖的效率曲線

　　結論

　　汽車中非常專業(yè)化的電子子系統(tǒng)迅速增加，給汽車應用中的電源 IC 提出了嚴格的性能要求。視電源在汽車電源總線上所處位置的不同，電源可能受到停-啟、冷車發(fā)動和負載突降情況的影響，而且無論輸入低于、高于或等于所需輸出，都必須能準確地調(diào)節(jié)輸出電壓。