汽車信息娛樂系統(tǒng)對電源供電的需求分析 - 全文

　　隨著汽車中使用的電子元件數(shù)量不斷快速增多，我們可以預期電源轉(zhuǎn)換集成電路會面臨更多設計挑戰(zhàn)：有些器件需要穩(wěn)定的電壓輸入、低靜態(tài)電流和低噪聲，而另一些器件則需要為滿足LED照明等特定應用的需求而專門定制，所有器件都需要占板面積更小、效率盡可能高。

　　同時，這些系統(tǒng)中的元件數(shù)也在增多，而可用空間卻在不斷縮小。因此，任何實用的散熱器都太大，系統(tǒng)無法容納。這樣一來，由于空間限制和工作溫度要求，電源轉(zhuǎn)換效率就成了關鍵因素。在低輸出電壓和甚至高于幾百毫安的中等電流水平，簡單使用線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生這類系統(tǒng)所用電壓都不再可行了，因為產(chǎn)生的熱量太多。因此，主要由于熱限制，開關穩(wěn)壓器正在取代線性穩(wěn)壓器。開關穩(wěn)壓器的高效率、小占板面積等好處與附帶的復雜性和EMI問題相比，還是利大于弊的。

　　這些復雜的系統(tǒng)需要在可靠和緊湊的布局中有大量電壓軌，為這樣的系統(tǒng)設計開關電源給電源集成電路設計帶來了新的挑戰(zhàn)。圖1說明了今天的信息娛樂系統(tǒng)的復雜性。

?

　　圖1：現(xiàn)代信息娛樂系統(tǒng)。

　　典型的信息娛樂系統(tǒng)可能有 8 個或更多不同的電源，如8.5V(在歐洲是 8.5V，在日本是 9.5V)、5V、3.3V、2.5V、1.5V和1.2V。8V用作DVD電機電源，用于旋轉(zhuǎn)盤片，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(tǒng)總線，通常都需要提供2A至3A電流。2.5V電源軌用于存儲器和I/O，1A至2A電流足夠了。1.5V和1.2V電源軌分別用于為CPU和DSP內(nèi)核供電。這兩種電壓軌的功率級通常在3W至5W 之間。

　　除了這些較高電流的應用，也需要較低功率級(低于1W)用于主TFT-LCD顯示器(一般為7英寸至10英寸)以及攝像機CCD的偏置。還需要一個5W至10W的功率級用于TFT-LCD顯示器的白光LED背光照明。

　　由于要滿足所有這些功率需求，因此在大多數(shù)信息娛樂系統(tǒng)中可以發(fā)現(xiàn)多種開關穩(wěn)壓器。在比較有利的電氣環(huán)境中，可使用便攜產(chǎn)品所用的開關穩(wěn)壓器。不過，有些電源集成電路面對的是苛刻得多的電氣環(huán)境，這帶來了很大的設計挑戰(zhàn)。例如，無論何時，只要電源軌直接產(chǎn)生于電池/充電系統(tǒng)，就要求寬輸入電壓范圍來滿足電壓擺幅極大的要求。如果特定系統(tǒng)需要保持“始終接通”狀態(tài)，那么最重要的是要具有最低靜態(tài)電流。類似地，開關頻率接近AM/RF/GPS電路頻率的開關穩(wěn)壓器集成電路一定不要對這些頻帶產(chǎn)生干擾。用于TFT-LCD背光照明的LED 驅(qū)動器集成電路必須具有寬調(diào)光范圍，以補償最輕微的環(huán)境光線變化。最后，所有 DC/DC 轉(zhuǎn)換器都要盡可能小，以適合緊湊的布局，還要盡可能高的效率，以消除對散熱器的需求。

　　用電池供電

　　不管信息娛樂系統(tǒng)中有什么樣的應用或子系統(tǒng)，電源最初都是來自汽車電池和充電系統(tǒng)。然而，汽車電池或充電系統(tǒng)剛好是電氣環(huán)境最苛刻的地方。就電源集成電路以及由這些集成電路供電的子系統(tǒng)而言，主要關注兩種情況：負載突降和冷車發(fā)動。

　　1.負載突降(60V瞬態(tài)保護)：

　　“負載突降”是交流發(fā)電機正在給電池充電而電池電纜斷接時出現(xiàn)的情況。圖 2 顯示了由負載突降引起的典型電壓瞬態(tài)。在交流發(fā)電機試圖全力充電時突然斷接可能產(chǎn)生高達80V的瞬態(tài)電壓尖峰。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36V到60V之間。不過，交流發(fā)電機的下游器件主端DC/DC轉(zhuǎn)換器可能仍然要承受 60V 的瞬態(tài)電壓尖峰。由于這些轉(zhuǎn)換器和由轉(zhuǎn)換器供電的子系統(tǒng)在這種瞬態(tài)事件發(fā)生期間和發(fā)生以后要正常工作，因此DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠處理這些高壓(60V 至 100VMAX)瞬態(tài)是至關重要的?？梢栽谕獠繉崿F(xiàn)各種保護電路(通常是瞬態(tài)電壓抑制器)，但是外部電路提高了成本，而且需要占用寶貴的空間。凌特公司的幾款高壓開關穩(wěn)壓器，如LT3433、LT3434/5、LT1976/7和LT3437/8，能夠承受高達80V的瞬態(tài)電壓，同時保持輸出穩(wěn)壓，不對系統(tǒng)性能或可靠性造成影響。一般情況下，這些穩(wěn)壓器是降壓型或降壓-升壓型的，可經(jīng)受由充電/電池系統(tǒng)中斷引起的汽車電池和交流發(fā)電機的電壓改變。

?

　　圖2：負載突降和冷車發(fā)動的輸入/輸出電壓隨時間的變化。

　　總之：負載突降瞬態(tài)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(tài)規(guī)格為36V至80V，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(tài)能損壞電源總線上的很多電子元件。

　　2.冷車發(fā)動(4.5V至超過60V的輸入瞬態(tài))：

　　“冷車發(fā)動”是汽車發(fā)動機在寒冷或冰凍溫度下度過一段時間后發(fā)生的情況。這時機油變得非常黏稠，需要發(fā)動機啟動器提供更大的扭轉(zhuǎn)力，而這又需要電池提供更大的電流。這種大電流負載能在啟動時將電池/主端總線電壓拉低至 4V，之后，電壓一般會返回到標稱的13.8V。圖2用圖形表述了在冷車發(fā)動時電壓隨時間變化的情況。問題是，某些子系統(tǒng)在整個冷車發(fā)動過程中需要非常恒定的穩(wěn)定輸出。這些應用一般用 3.3V 電壓工作，包括發(fā)動機控制單元(ECU)以及對汽車安全和可靠工作至關重要的環(huán)境和應急系統(tǒng)等。

　　任何直接連接到電池上的開關穩(wěn)壓器都需要規(guī)定在3至60V的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，以確保滿足冷車發(fā)動和負載突降情況的要求。此外，60V額定值為14V系統(tǒng)提供了極好的裕度，這些系統(tǒng)常常箝位到36V至40V的范圍。滿足上述要求的器件包括LT3430和LT3431，這兩款器件適用于需要高達2.5A 輸出電流的應用，以及滿足1.25A電流要求的LT1766和LT1767。

　　始終接通系統(tǒng)

　　典型的信息娛樂系統(tǒng)都有需要始終工作的子系統(tǒng)：如GPS接收器、IR系統(tǒng)和系統(tǒng)微處理器。由于汽車點火裝置有時是斷開的，這些子系統(tǒng)必須直接連接到電池，以低功率模式工作。這要求靜態(tài)電流最低，而且要求這些子系統(tǒng)能夠承受點火裝置接通時電池和充電系統(tǒng)的電壓變化。再加上汽車中的其他電源系統(tǒng)，因此對電池的要求越來越高了，即使在點火裝置斷開時也是這樣?？傮w上，需要幾百毫安的電源電流來維持始終接通處理器所需的電壓，這可能在幾周之內(nèi)就能完全耗盡電池的電量。為了更好地滿足這些需求，一些汽車制造商尋求每個“始終接通”DC/DC轉(zhuǎn)換器達到100uA的最大靜態(tài)電流“目標”。

?

　　圖3：LT3437用于汽車應用的原理圖和電源電流

　　不過，直到最近，就轉(zhuǎn)換器而言，高輸入電壓和低靜態(tài)電流都是互不相容的參數(shù)要求。凌特公司的高壓(60V至80V)100uA降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器系列是第一種同時滿足上述兩種要求的器件。這個系列器件的最大輸入電壓范圍為60V至80V，輸出電流范圍為450mA(LT3437)至2.5A(LT3434)，靜態(tài)電流都低于100uA。

　　圖3是LT3437的原理圖和合成電源電流。該器件以4.5V至80V的輸入電壓可以維持3.3V的穩(wěn)定輸出電壓，同時具有超過80%的效率。它采用有引線耐熱增強型 TSSOP-16封裝或3mm ×3mm 纖巧無引線 DFN 封裝。這兩種封裝都具有非常高的熱效率，θJC僅為10℃/W，無需任何外部散熱器。LT3437 采用獨特的突發(fā)模式設計，能夠用僅為100uA的電源電流工作，非常適用于始終接通應用。LT3434和LT1976等類似器件也可用于電流較高的應用，如分別適用于輸出電流為2.5A和1.25A的應用。

　　再轉(zhuǎn)換的電源軌

　　不管電源是3.3V還是5V，在進入信息系統(tǒng)之后都可以直接驅(qū)動很多系統(tǒng)內(nèi)部電路，因為很多電路都可以用2.7V至5.5V的電壓工作。不過，有幾種電路需要比最初的電壓軌更高或更低的電壓。最明顯的是CD/DVD驅(qū)動器電機，它需要8.5V電壓。有些CPU和DSP需要1.2V至1.5V的電壓，面朝后攝像機的CCD需要偏置電壓(15V和-8V)，TFT-LCD顯示器既需要偏置電壓(8V、15V和-8V)也需要白光 LED照明(高達36V)。慶幸的是，一般情況下，對電池的主電源轉(zhuǎn)換已經(jīng)起到了保護這些電壓軌免受瞬態(tài)和過壓變化影響的作用，因此在這些再轉(zhuǎn)換的電源就無需保護了。不過最大限度地降低開關噪聲成了最重要的事情，因為很多電源轉(zhuǎn)換都是在靠近噪聲敏感的AM、RF或GPS接收器的地方進行的。只要開關行為是可預測的，這些潛在的噪聲和 EMI在很多敏感應用中就都是可管理的，這一點已經(jīng)得到證實。如果開關穩(wěn)壓器在正常工作模式下以恒定頻率開關，而且切換邊沿是干凈和可預測的，沒有過沖或高頻振鈴，那么EMI就得到了最大限度的降低。此外，如果穩(wěn)壓器可以采用低ESR陶瓷電容器，那么輸入和輸出電壓紋波可以最大限度地降低，而這種紋波是系統(tǒng)中的潛在噪聲源。

　　驅(qū)動DVD/CD的電動機

　　驅(qū)動DVD/CD的電機在8.5V時需要高達2A的電流，以轉(zhuǎn)動CD/DVD盤片。由于這種在8.5V時相對高的負載，一般直接由電池供電，將電池電壓降低至8.5V。與從較低電壓軌升壓到8.5V相比，這個解決方案實現(xiàn)了較高的效率。直接用電池供電要求轉(zhuǎn)換器具有穩(wěn)定的輸入電壓能力，以保護電動機驅(qū)動器免受高壓瞬態(tài)影響。凌特公司的 LT3430 既可以為這種應用提供瞬態(tài)保護又可以提供所需的輸出電流。該器件具有高達 90% 的效率，采用耐熱增強型TSSOP-16 封裝，熱耗散很低，同時解決方案占板面積也很小。

　　微處理器和存儲器電源

　　任何信息娛樂系統(tǒng)中都有一些微處理器。它們的內(nèi)核都需要1.2V至2.5V的電源，而它們的存儲器和I/O都需要2.5V或3.0V電壓，因此需要對5V主電源或3.3V中間電壓軌降壓。效率是最重要的，因為這些子系統(tǒng)非常緊湊，沒有多余的地方放置散熱器。LTC3407-2就是一種滿足上述要求的穩(wěn)壓器。其同步整流拓撲提供高達 96%的效率，同時其恒定開關頻率為2.25MHz，保持噪聲在相鄰音頻接收器的敏感 AM頻帶之外。

　　TFT-LCD平板和CCD偏置

　　TFT平板(對角線為6英寸至10英寸)除了大約8V的中間電壓(通常稱為 AVDD)需要高達450mA的電流，一般需要較低的偏置電源，如 16V/10mA和8V/10mA。凌特公司的LT1935是一個理想的選擇。LT1935的效率高達80%，ThinSOT封裝保持解決方案占板面積最小。面朝后攝像機的CCD也需要某些類型的偏置電源，一般需要的是15V/20mA 和-8V/50mA。凌特公司的LT3472是低噪聲、恒定頻率(1.1MHz)的雙輸出升壓/負輸出型集成電路，可用2.2V至16V的輸入工作，提供所需的CCD偏置電壓。其3mm×3mm DFN封裝最大限度地縮小了解決方案占板面積，同時具有卓越的熱性能。

　　TFT-LCD白光LED背光照明

　　除了偏置電壓，TFT-LCD顯示器還需要背光照明以便觀看。傳統(tǒng)上，背光照明一直是采用CCFL實現(xiàn)的。但是，由于白光LED的尺寸更小，可靠性更高，因此在背光照明應用中迅速取代了CCFL。由于汽車內(nèi)部光線變化和人眼對光強微小變化的敏感性，要求這些顯示器的背光照明有高達1000:1的寬調(diào)光范圍。凌特公司的 LT3486(參見圖 4)可以解決這一問題。該器件是一種雙輸出降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，專門設計成用12V輸入電壓驅(qū)動多達16個100mA的白光LED(每通道8個LED串聯(lián))。它用作恒定電流源，保持LED的亮度恒定，甚至每個LED的正向電壓不同時也一樣。LT3486是第一個采用“真正彩色 PWM(True Color PWM)調(diào)光”的LED驅(qū)動器，向LED提供了恒定電流，保持LED以恒定顏色發(fā)光。調(diào)光通過降低PWM驅(qū)動器的占空比控制。正像從圖4中可以看到的那樣，就大多數(shù)所需調(diào)光范圍而言，該器件的效率在80%到90%之間。其耐熱增強型TSSOP-16封裝體積很小，熱效率很高。

?

　　圖4：LT3486 汽車 TFT-LCD 背光照明原理圖和效率。

　　本文總結(jié)：

　　隨著汽車中使用的電子元件數(shù)量不斷快速增多，我們可以預期，電源轉(zhuǎn)換集成電路會面臨更多設計挑戰(zhàn)。有些器件需要穩(wěn)定的電壓輸入、低靜態(tài)電流和低噪聲，而另一些集成電路則需要為滿足LED照明等特定應用的需求而專門定制。所有器件都需要占板面積更小，效率盡可能最高。凌特公司已經(jīng)認識到這種發(fā)展趨勢，并已經(jīng)開發(fā)出使汽車中電子產(chǎn)品能夠加速增多的電源集成電路。