高壓同步降壓穩壓器添臂力　車用電子系統穩定度升級

汽車中電子系統日益增多的項目包括安全系統、車載多媒體系統、引擎、動力傳動系統和底盤管理、衛星無線電和電視、發光二極體(LED)照明、藍牙(Bluetooth)以及後視攝影鏡頭。在過去幾年前，這些系統僅能在高階汽車中見到，但現在已大量普及於每一個汽車製造商的中階汽車中，從而促使汽車IC市場快速成長。

汽車電子系統不斷增加的另一個關鍵驅動因素是採用新型發送機和動力傳動系統設計。這些新型設計包括直接燃料噴射、引擎停/啟控制以及各種不同的混合型/電動型汽車配置。這些系統的目標是最將有害氣體排放量降至最低，同時提高燃料燃燒效率和汽車的總體性能。然而，上述的要求曾經一度是相互排斥，而現在採用智慧引擎控制系統、大量感測器和幾個數位訊號處理器(DSP)後，汽車製造商將能憑藉更乾淨運行的引擎來實現更高的效率，推升電子控制單元(ECU)快速增加，以優化各方面的汽車設計；其中，引擎動力傳動系統管理以及動態底盤控制，這些新型系統提高了行車安全性、性能、舒適度，且有助於排碳量降低。

車用電子系統日益複雜　電源轉換難度遽增

隨著車用系統中電子元件數量快速增加，車內可用空間也持續縮小，從而大幅提高每個系統的密度，而所有的系統都需要電源轉換IC，且通常有多個電壓軌以適用於每一個子系統。一般而言，線性穩壓器可滿足大部分這類電源轉換需求，因為效率和小尺寸並非最為重要，但隨著電源密度持續提高，而且很多應用都需要在相對較高的環境溫度下工作，任何適用的散熱片都已經顯得太大而無法整合於系統中，因此，要將以熱量形式損失的功率降至最低，電源轉換效率就變得至關重要，這促使降壓切換穩壓器取代了線性穩壓器。

然而，新出現的汽車設計要求，即使在電源電壓變化範圍非常寬、靜態電流非常低和開關頻率非常高的情況下，開關穩壓器也要提供非常高的效率，同時還要提供接腳占位非常精小和高成本效益的解決方案，對於半導體供應商而言是新的技術挑戰。

為了讓燃油里程達到最高，並儘量降低二氧化碳排放量，其他可替代的動力傳動技術正持續發展。無論這些新技術採用混合電動、清潔柴油或更傳統的內燃設計，它們都可能還使用了停/啟電動機設計。停/啟電動機設計幾乎已普遍出現於世界各地所有混合型設計中，很多歐洲和亞洲的汽車製造商也已開始在傳統的汽油和柴油汽車中採用停/啟系統，例如在美國福特(Ford)汽車最近已宣布將在未來的家用車型大量採用這類系統。

不過，停/啟系統給電源管理系統帶來了另一個挑戰。首先，在引擎/交流發電機關閉時，電池須能為汽車的各種燈、環境控制以及其他電子系統供電。此外，當引擎再次重啟時，電池須能為啟動器供電。在啟動時，這種極端的電池載入情況又引入了另一個設計挑戰，這一次是電氣方面的挑戰，因為重啟引擎須吸取大量電流，這有可能暫時將電池電壓拉低至4伏特(V)，這個變化過程與圖1所示的冷車發動電壓曲線相當類似。當充電器返回穩定狀態、電池匯流排電壓短暫低於標稱的13.8V時，要提供一個良好穩定和僅比輸入低幾百毫伏(mV)的輸出，以保持關鍵系統不間斷運行，這時對電子系統的挑戰就出現了。

圖1　在36V負載突降暫態和4V冷啟動情況下LT8610的電壓曲線

當汽車引擎經寒冷或冰凍溫度一段時間以後，冷啟動的情況就會發生。引擎油變得極度粘稠，須要啟動器發動機提供更大的扭矩，此時系統會反過來又從電池吸取更大的電流。這種大電流負載可能在一點火時，將電池/主匯流排電壓拉至低於4.0V，點火完成之後，電壓一般返回標稱的13.8V。此一情況給汽車電源匯流排帶來的電氣結果可在圖1中看到，但是這種結果可能由不同的原因造成。就引擎控制、安全和導航系統等一些應用而言，當務之急是需要良好穩定的輸出電壓(至少3V)，在汽車啟動時能順利通過冷啟動情況，讓車輛可成功運行。

此外，當電池電纜斷接而交流發電機仍然在給電池充電時，此刻發生的情況即是負載突降。汽車運行時電池電纜鬆動或汽車運行時電池電纜斷裂，都可能發生這種情況。這種電池電纜的突然斷接可能會產生高達60V的瞬態電壓尖峰，因為交流發電機正在嘗試給不存在的電池充滿電。

交流發電機上的暫態電壓抑制器通常將匯流排的電壓維持在30～34V之間，並吸收大部分湧浪，不過，交流發電機下游的直流對直流(DC-DC)轉換器承受了高達36V的暫態電壓尖峰。有鑑於此，人們不僅期望這些轉換器不被損壞，且這些轉換器還必須在這種暫態事件發生期間持續調節輸出電壓。

新型電源管理IC相挺　車用電子系統可靠度大增

汽車應用中電源管理IC的效能將比過去幾年更為關鍵。隨著電源轉換效率越高，以熱量形式浪費的能量就越少，就任何電子系統的長期可靠性而言，熱量永遠都是首要解決的問題，因此轉換器須能有效控制熱量，而控制熱量一般需要散熱片，這將提高了解決方案的複雜性、尺寸和成本。

此外，在混合型或電動型汽車中，任何電能的浪費都將直接縮短汽車能行駛的路程。直到不久前，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，因為所需的IC製程不能同時實現這兩個目標。在過去，效率最高的解決方案是高壓控制器，這類控制器用外部金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)實現同步整流。然而，就低於15瓦(W)的應用而言，與單晶片解決方案相比，這樣的配置相對複雜和笨重。幸運的是，市場已有能同時提供高達42V、高效率和內部同步整流的新型電源管理IC。

使用者要求很多電子子系統以備用或保持有效的模式工作，從而在這類狀態下以穩定的電壓吸取最小的靜態電流，使得在大多數導航、行車安全、車輛安全和引擎管理電子電源系統中都能見到這類電路。每一個此類的子系統都可能使用幾個微處理器(MPU)和微控制器(MCU)。大多數高階汽車都有超過一百個這類內建的DSP，其中約20%須要始終保持導通工作。在這類系統中，電源轉換IC必須以兩種不同的模式工作；首先當汽車運行時，為這些DSP供電的電源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保持有效，從而要求電源IC須提供定電壓，同時從電池汲取最小的電流。

既然可能有超過二十個始終保持導通的處理器同時工作，那麼即使點火系統關閉了，對電池也存在極大的功率需求。總體而言，可能需要數百mA的電源電流給這些始終保持導通的處理器供電，這可能在幾天之內就會徹底耗盡電池電量。例如一輛汽車的每個高壓降壓型轉換器都需要2～10毫安培(mA)的電源電流，那麼來自車輛安全系統、全球衛星定位系統(GPS)和遙控車門開啟系統以及防鎖死煞車系統(ABS)等其他必須始終保持導通的系統的二十個這類轉換器，再加上電動車窗的漏電流，就有可能使車主在完成一次延長的三周商務旅行之後，發現電池電量已經耗盡，從而無法運轉引擎。這些電源的靜態電流必須極大地降低，以在不增加電子系統尺寸或複雜性的前提下，延長電池壽命，而直到不久前，高輸入電壓和低靜態電流這兩個DC-DC轉換器IC的參數還是相互排斥。

為更能滿足這些需求，目前已有幾家汽車製造商確立了低靜態電流目標，即每個始終保持導通的DC-DC轉換器的靜態電流小於10微安培(μA)。在過去幾年間，車廠還要求系統製造商並聯連接低靜態電流線性穩壓器(LDO)和降壓轉換器，並在兩者之間切換，以在汽車引擎未運轉時，降低從電池汲取的電流，但此一方式將導致解決方案既昂貴效率又差。

穩定調節電子系統電壓輸出　同步降壓型穩壓器立功

汽車電池匯流排遭遇不同的暫態情況時，其電壓可能從低於4V變化到超過40V。隨著停/啟系統被廣泛採用，在一般的行程中，電源匯流排會多次遇到低壓暫態情況。就汽車電子系統而言，需要良好穩定的電壓軌以克服這些情況，這一點相當重要。由於ECU用在車輛安全、行車安全、導航、底盤控制、以及引擎/變速器管理系統中，因此，對於能提供高效率、低靜態電流、高頻切換、以及非常可靠的保護功能和可靠性的高壓電源管理IC之需求也將持續加速，幸運的是，IC供應商已可滿足這些嚴苛的要求。

舉例來說，凌力爾特(Linear Technology)的LT8610是第一個高壓同步降壓型穩壓器系列。其3.4～42V的輸入電壓範圍使該元件非常適用於汽車應用，因為這類應用既會遇到冷車發動或停/啟情況下的低壓暫態，又遇到負載突降情況下的高壓暫態。其2.5安培(A)的連續輸出電流和能夠提供V_IN-200毫伏～0.97V的輸出電壓，使該元件非常適用於很多直接靠電池匯流排運行的汽車軌，該元件可構成簡單和接腳占位非常精小的解決方案，無需任何外部二極體(圖2)。

圖2　LT8610用於提供 5V/2.5A 輸出的汽車應用典型原理圖

圖3　LT8610典型汽車應用原理圖的效率曲線

其同步整流設計包括內部頂端和底端MOSFET，以提供高達96%的效率。如圖3所示，當用標稱12V的輸出給一個5V負載供電時，即使在相對高的800kHz開關頻率情況下，該元件也可提供超過95%的效率。這種高效率工作最大限度減少浪費的功率，且即使在空間最受限的應用中，也無需散熱片。在電動型汽車和混合型汽車中，這可以直接轉化為一次充電行駛距離的延長。

此外，LT8610的Burst Mode工作將無負載靜態電流降至僅為2.5μA，從而使該元件非常適用於始終保持導通的應用，因為這類應用即使在無負載時也必須保持定電壓調節，同時最大限度地延長電池壽命。這一點尤其重要，因為包括行車安全、環境控制、資料記錄、車輛安全和定位在內的始終保持導通系統在日益增多。此外，漣波非常低的Burst Mode模式工作架構最大限度地降低了輸出雜訊，使其低於10mV_PK-PK，從而使該元件適用於雜訊敏感型應用，如果應用需要外部同步，那麼可以用脈衝跳躍頻率模式代替Burst Mode模式。

圖4　LT8610的壓差性能

LT8610低壓差性能在須調節輸出以順利透過停/啟或冷車發動情況的應用中亦相當有助益。如圖4所示，即使輸入電壓降至低於設定的輸出電壓(在本圖情況下為5V)，一旦輸入超過2.9V，輸出也會始終比輸入電壓低200mV(在1A)。此一方式相當重要，因為ECU的驅動需要一個或多個微處理器/微控制器。儘管這些微處理器/微控制器設計為用標稱5V的電壓工作，但是它們在電源電壓低至3V時也能連續工作。在冷車發動情況下，輸入可能降至3.2V，因此這些微處理器能繼續工作，從而使ECU能夠在冷車發動的情況下無縫工作。

此外，LT8610的最短導通時間僅為很短的50奈秒(ns)，可在16～1.8V輸出時，可實現2MHz定頻工作，從而優化效率，並避開關鍵雜訊敏感頻段，例如AM無線電頻段。即使在電壓高於16V(和低於42V)時，LT8610也能提供良好穩定的輸出電壓。由於以更快的切換頻率工作可減小外部元件的尺寸，所以LT8610的2.2MHz開關能力允許構成接腳占位精小的解決方案。

LT8610在內部採用了頂端和底端高效率電源開關，在單晶片中整合了必要的升壓二極體、振盪器、控制和邏輯電路。特殊設計方法和新的高速製程使得在寬輸入電壓範圍內實現了高效率，而且此一元件的電流模式架構實現了快速暫態響應和卓越的迴路穩定性。其他特點還包括內部補償、電源良好標記、堅固的短路保護、輸出軟啟動/追蹤和過熱保護。其16接腳耐熱加強型MSOP封裝與高開關頻率相結合，允許使用小型外部電感和電容，從而提供了接腳占位非常精小和具備高熱效率的解決方案。

隨著汽車的電子系統快速增加且更加複雜，車廠對電源管理IC的性能要求愈來愈高。電源在汽車電源匯流排上工作部位的不同，也會有不同的反應情況，如電源可能遇到停/啟、冷啟動和負載突降情況，且必須在這類情況發生時，能夠自始至終準確地調節輸出電壓。此外，這類系統有些會以始終保持導通的備用模式工作，需要最小的電源電流，而越來越多的電子系統添加到日益縮小的空間中，最大限度地減小解決方案接腳占位同時達到最高效率也變得至關重要，車廠藉由先進的電源管理IC，將可讓汽車內的電子系統更順利的運行。

(本文作者任職於凌力爾特)