- 汽車內部電子系統(tǒng)的功耗問題
- 提高元器件的轉換效率
- 使用開關開關穩(wěn)壓器取代線性穩(wěn)壓器
- 高性能的模擬直流-直流轉換器
一個顯著的增長體現(xiàn)在DVD/HDD導航系統(tǒng)上。第一部DVD/HDD導航系統(tǒng)是在1997年問世的，今年這類系統(tǒng)在全球的銷量預計將超過1,300萬臺。對于任何類型的電子產品而言，汽車的環(huán)境仍然是非?？量痰?。要求較大的工作電壓范圍，加上很高的瞬變電壓，溫度變化范圍很大，這些問題合在一起，對電子系統(tǒng)提出了巨大的挑戰(zhàn)。此外，對電子系統(tǒng)性能的要求也越來越高，而且，還需要能夠為系統(tǒng)內的各個不同部件提供不同的電壓。
現(xiàn)在所生產的大多數(shù)汽車中、高檔汽車都把DVD全球定位導航系統(tǒng)作為汽車里的一個標準設備。然而，要在這樣的系統(tǒng)里設計一個能夠滿足所有不同電壓要求的電源，其復雜程度和設計一個筆記本電腦的電源不相上下。一個典型的導航系統(tǒng)至少需要六種電壓：8V、5V、3.3V、2.5V、1.5V和1.2V。8V電壓是用來給DVD馬達供電的，它用于帶動光盤旋轉，在通常情況下，需要高達2A的峰值電流。5V和3.3V電壓一般是供給系統(tǒng)總線的，它們都需要2A至3A的電流。1.5V和1.2V電壓分別是CPU內核和DSP內核的供電電壓，這兩路電壓的功率一般在3W到5W之間。
同時，元器件的數(shù)量卻在不斷地增加，而可用的空間卻越來越小。由于實際需要發(fā)散的熱量太大了，很難把熱量散發(fā)出去。因為空間受到限制，而且要求工作溫度在一定范圍內，所以，轉換效率也就變得越來越重要。當輸出電壓很低而電流適中（約在幾百毫安培以上）時，就無法簡單地用一個線性穩(wěn)壓器來產生這些系統(tǒng)所需要的電壓。于是，在過去的幾年里，主要是因為在熱量方面的限制，開關穩(wěn)壓器正漸漸地取代了線性穩(wěn)壓器。開關穩(wěn)壓器的好處是：效率較高，尺寸較小，這些好處超過了它的復雜性和電磁干擾的問題。
對于計劃在汽車導航系統(tǒng)中使用的開關穩(wěn)壓器來說，由于考慮到存在上述這些限制，那么，它就必須具備以下這些功能和特點：
●輸入工作電壓范圍寬；
●在整個較寬的負載范圍內的效率高；
●在正常的工作模式、待機模式和關機模式下，靜態(tài)電流都必須很低；
●熱阻?。?br /> ●噪聲和電磁干擾都很小。
輸入電壓工作范圍寬。任何開關穩(wěn)壓器的輸入電壓范圍都必須在3V至60V之間，只有這樣，才能滿足“冷啟動”和“大負載”的要求。它還具有別的好處，即汽車系統(tǒng)既可以在14V的電壓下運行，也可以在42V的電壓下運行。此外，使用60V的額定電壓的另一個好處是這樣能夠給14V系統(tǒng)留出一個空間，從而可以把電壓控制在36V到40V這個范圍內。再者，有了這個60V的額定電壓，這個設備將來也就可以用于新的42V系統(tǒng)。也就是說，一個14V系統(tǒng)的設計可以很容易地升級到42V系統(tǒng)，不必重新做很多設計。
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效率。對于大多數(shù)汽車系統(tǒng)而言，在一個較寬的負載范圍內保持較高的功率轉換效率是很重要的。例如，對于輸出電壓為5V、負載在10mA到2.5A之間的應用來說，功率轉換效率預計為85%。當電流很大時，內部開關必須完全飽和，在一般情況下，在電流為3A時，功耗為0.1W。為了提高輕載效率，可以降低驅動電流，或者讓驅動電流與負載電流成比例。此外，還可以通過一個偏置引腳給內部控制電路供電，這個引腳可以用輸出電壓來供電。這利用了降壓轉換器的功率轉換效率高的優(yōu)點。偏置電流是由輸出而不是由輸入得到的，因此控制電路從供電電源吸收的電流就減少了，減少的倍數(shù)是輸入電壓與輸出電壓的比值。對輸入電流源的要求。例如，當輸出電壓為3.3V，輸出電流為100礎，這時需要從12Ｖ電壓提供的平均輸入電流是30礎。這樣減少了控制電路所需要的電流，從而提高了輕載時的效率。
靜態(tài)電流小。汽車系統(tǒng)里的許多產品即使在汽車停止不動的時候也需要源源不斷地供給電力。對于這些產品來說，一個重要的指標是靜態(tài)電流要小。如果輸出電流不低于100mA，那么，這個設備就一直在正常的開關模式下運作。當電流低于100mA時，開關穩(wěn)壓器必須跳過一些脈沖，維持穩(wěn)壓作用。在兩個脈沖之間穩(wěn)壓器可以進入深度休眠模式，在這個模式下，只對內部的一部分電路供電。在負載電流很小時，開關穩(wěn)壓器要自動地切換到猝發(fā)模式。在這個模式下，12V至3.3V的轉換器的靜態(tài)電流會下降到100礎以下。在休眠模式下，內部參考電壓和電源正常指示電路仍然工作，以監(jiān)視輸出電壓。在關機狀態(tài)下，靜態(tài)電流應低于1礎。
熱阻小。在理想狀態(tài)下，半導體結到外殼的熱阻應該很小。如果器件背面的銅是裸露的，而且是焊接在印刷電路板的表面，那么，就可以通過這個印刷電路板把這個器件上的熱量散發(fā)出去。如今經常使用的四層電路板，中間有一層是功率層，它的熱阻在40℃/W的范圍內。對于在周圍溫度較高的環(huán)境中使用的產品，它們熱量傳給金屬外殼的導熱性能很好，熱阻接近半導體結至外殼的熱阻，通常是10℃/W，從而擴大了有效工作溫度的范圍。
噪聲和電磁干擾問題
開關穩(wěn)壓器產生的噪音比線性穩(wěn)壓器的大，但是，它們的效率高很多。在許多容易受噪音影響的產品中，只要開關電源的性能是可以預先知道的，那么，噪聲和電磁干擾的大小是可以控制的。如果開關穩(wěn)壓器在正常模式下開關頻率是固定的，在開和關時上升沿和下降沿也很干凈并且可以預測，不存在過沖或者高頻衰減振蕩，因而降低電磁干擾。它的封裝尺寸小，工作頻率高，可以把電路布置得很緊湊，很小，從而降低了電磁干擾輻射。此外，如果這個穩(wěn)壓器可以使用等效串聯(lián)電阻很小的陶瓷電容器，那么，就能夠降低輸入電壓紋波和輸出電壓紋波，這是系統(tǒng)里的另一個噪聲源。
顯然，設計和開發(fā)這類開關穩(wěn)壓器并不是件簡單的事情。然而，最新的一個高壓直流-直流轉換器的例子是電壓可以達到60V的降壓開關穩(wěn)壓器單片集成電路。它的輸入電壓范圍為3.3V至60V（圖1），當負載電流高達2.5A時，效率很高。在所有的輸入電壓、負載和溫度條件下，參考電壓的精度為±2%。
在猝發(fā)模式下，它的靜態(tài)電流低于100礎，適合輸入電壓為12V至3.3V的產品。這個器件采用厚度很薄的TSSOP封裝，熱阻非常小，適合尺寸很小的設計。最后，它使用了電流模式電路，具有良好的瞬態(tài)響應，容易補償，并且使用一種擁有專利權的電路，在占空比為任何數(shù)值時保持開關中的峰值電流恒定。它的開關頻率是固定的200kHz，此外，這個產品可以同更高的頻率同步。在整個汽車的溫度范圍內，它的穩(wěn)壓性能很好，并且提供電源正常信號/復位、軟啟動和UVLO功能。這個電路是一個可靠的、高效率的降壓轉換器解決辦法，電流高達2.5A，尺寸很小，適合汽車使用。
盡管汽車導航系統(tǒng)的設計非常復雜，而且需要高性能的模擬直流-直流轉換器，但是，不必為此而擔心。供應商正在推出一種“新一波”穩(wěn)壓器浪潮，它結合了大量必不可少的功能，把系統(tǒng)工程師從繁重的電源設計工作中解放出來。
