現今汽車的燃油效率雖然有所提升，但仍面臨持續攀升的用電需求。其中包括眾多車艙內便利設備、資通訊聯網、以及資訊娛樂功能，必須透過車載儀表板與/或抬頭顯示器(圖1)向駕駛人提供資訊，以及讓駕駛人運用觸控螢幕以及中控台上的開關(通常稱為車載音響主機)加以控制。
本文探討運用汽車電池供應輸入電壓為這些系統提供多個供電線路所面臨的挑戰。討論因應調節輸出電壓範圍並維持靜態電流(IQ)與低EMI所面臨的挑戰。另外並介紹新型車用電源管理IC(PMIC)在因應這些挑戰時如何克服替代解決方案的各種難題。
圖1 汽車儀表板與中控台
汽車電源要求
為限制發熱，汽車應用需符合製造商嚴苛靜電流規範的高效率DC-DC轉換器。這些轉換器必須在低輸入電池電壓下工作，以支援冷啟動以及怠速熄火。管理冷啟動方面，常見的作法是採用多個PMIC(與其他元件)在兩個降壓穩壓器級下調降電池電壓。此種方法需要複雜的電路設計與配線，進而增加解決方案的尺寸。此方法也更容易遭遇EMI干擾，使其難以符合像CISPR class 5此類EMI標準的規範。其他負載方面的問題還包括突然斷開和汽車電池的連結(Load-Dump負載突降事件)導致供電線路的電壓突升，形成高達40V的潛在破壞性瞬間電壓。
捨棄採用二級降壓方案，這裡採用更直接的方式，就是運用整合式PMIC，像是圖2所示的MAX20057，相較於其他車用PMIC具有許多優點。
圖2 MAX20057 36V升壓控制器結合雙3.5A/2A同步降壓轉換器支援各種汽車應用
該款PMIC內含兩個同步降壓轉換器(3.5A與2A)，結合一個非同步升壓控制器，可用來為降壓轉換器提供可調整電壓(10V)，即使在僅2V的電池輸入電壓下，也能在冷啟動過程中提供穩定電壓。降壓轉換器除了支援3.5V至36V的輸入工作電壓範圍，工作電流要求10µA(VOUT=5V)與8µA(VOUT=3.3V)，適合作為汽車長時間關斷供電狀態下的電壓穩壓機制。
紓解EMI電磁干擾
為解決關鍵的EMI疑慮，該PMIC擁有使用者自選的展頻功能，在峰值EMI下提供顯著的降干擾能力。該功能會將混附能量(Spurious Energy)分散到更寬的頻段，並降低其振幅。穩壓器的切換頻率固定在400kHz或2.1MHz。高切換頻率提供多方面的優點，像是減少所需的小型外部元件數量、減少輸出電壓漣波、以及保證沒有AM頻帶干擾。該PMIC經過程式化後可在任何三種模式工作，視需要優化效能，像是強制固定頻率工作、超低靜電流的跳躍模式、以及鎖定外部時脈的鎖相同步。
更高的電壓轉換率
某些內含降壓穩壓器的車用PMIC能從較寬廣的輸入範圍提供低輸出電壓，其是在低切換頻率下工作。其原因是最低電壓轉換率(VOUT/VIN)受限於穩壓器的最低可控導通時間(On-time)(通常為60奈秒至120奈秒)。在妥善的固定頻率脈衝調變(PWM)以及最佳化頻率下，於正常工作條件中降壓穩壓器必須在連續導通模式(CCM)工作。在CCM模式中，輸入電壓比的最小輸出取決於公式1：
.............(1)
這表示具備120奈秒最低導通時間與12V輸入的典型降壓穩壓器，在2.1MHz維持CCM模式，意謂輸出電壓不低於3V。要達到更低的輸出電壓，需要脈衝省略模式(Pulse Skipping)可降低有效工作週期，但這也會衍生更高的電磁干擾。為維持恆定的切換率，切換頻率必須降低，但這也會對EMI性能產生負面影響。
在此方面，PMIC擁有一項勝過其他汽車穩壓器的優點。由於典型最小導通時間僅20奈秒，因此其內建降壓穩壓器能達到的理論輸出電壓可壓低到0.5V(切換頻率2.1MHz的12V電池輸入)。這個數據低於最低規範輸出電壓(1V)，表示其無需降低切換頻率就能用來供應低電壓供電軌，可在低輸出電壓下維持優異的EMI性能。
其他衍生型PMIC還包括 MAX20457，內部含有兩個3.5/2.5A降壓轉換器 (沒有升壓控制器) ; 以及MAX20458，內部含有一個3.5A降壓轉換器與升壓控制器。所有版本都具有針腳相容性(表示一種機板設計能用在多種應用)，能支援攝氏零下40度至攝氏125度的汽車工作溫度範圍。此種特性使它適合用於所有類型的汽車，其中包括採用怠速熄火技術的車款。
(本文由ADI提供)