能源效率與低靜態(tài)電流作斗爭(zhēng)

隨著能源效率在許多行業(yè)中變得越來越重要，掌握潛在或靜態(tài)電流已成為一項(xiàng)普遍的義務(wù)。靜態(tài)電流是 DC-DC 轉(zhuǎn)換器在不使用時(shí)保持啟用狀態(tài)所需的最小值。它是在具有最小功能的條件下使用的額定電流：即，集成電路已打開并準(zhǔn)備好運(yùn)行。?

靜態(tài)電流被IC吸引并完全流向地面。吸收的總電流還取決于電感器輸入電流，而后者又取決于負(fù)載（與靜態(tài)電流不同）和轉(zhuǎn)換效率。

低靜態(tài)電流直接導(dǎo)致高轉(zhuǎn)換效率，尤其是在輕負(fù)載情況下。

更低的效率意味著更高的功耗和更短的電池壽命。在近似情況下，靜態(tài)電流只是輸入功率和輸出功率之差除以輸入電壓。與開關(guān)穩(wěn)壓器類似，靜態(tài)電流是極化電流和柵極驅(qū)動(dòng)電流。

瑞薩電子展示?了一對(duì)具有 6 μA 靜態(tài)電流和集成 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的新型 42 V 雙同步控制器，為瑞薩電子 R-Car H3 和 R-Car M3 SoC 提供主要功率級(jí)解決方案。?

瑞薩電子汽車 EV 和電源業(yè)務(wù)部戰(zhàn)略營(yíng)銷經(jīng)理 Edward Kohler 表示：“我們從兩個(gè)層面處理低靜態(tài)電流操作。我們首先優(yōu)化設(shè)備以最小電流運(yùn)行。然后，我們查看應(yīng)用級(jí)別并進(jìn)一步定制設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)工作電流的節(jié)省。” 他補(bǔ)充說，除了提供低靜態(tài)電流外，這些控制器還可以減輕 EMI。?

ISL78263 和 ISL78264 控制器可以在不同的寬頻率范圍內(nèi)以恒定的開關(guān)頻率運(yùn)行。這些器件具有一個(gè)電阻可編程的可調(diào)振蕩器，可設(shè)置為 200 kHz 至 2.2 MHz，還提供可選的同步輸入，使系統(tǒng)能夠通過時(shí)鐘更精確地控制頻率。廣泛的可調(diào)范圍為系統(tǒng)選擇運(yùn)行的頻段提供了最大的靈活性，同時(shí)以恒定開關(guān)頻率運(yùn)行的能力迫使產(chǎn)生的能量保持在所選頻段內(nèi)。通常，在汽車環(huán)境中，希望在中波 AM 廣播頻段的上方或下方運(yùn)行。在頻帶以下工作通常會(huì)提供更好的 DC/DC 轉(zhuǎn)換效率，

圖 1：ISL78264 的框圖（來源：瑞薩電子）

靜態(tài)電流

為了優(yōu)化設(shè)備本身，瑞薩電子開發(fā)了一種基于允許工作電流隨負(fù)載電流縮放的策略的調(diào)制器架構(gòu)?！斑@樣，ISL78263 和 ISL78264 就可以在輕負(fù)載情況下降低其靜態(tài)電流。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，該 IC 采用了多種設(shè)計(jì)功能，”科勒說。?

調(diào)制器架構(gòu)使得一些功能塊僅在高負(fù)載運(yùn)行時(shí)才需要，允許它們?cè)谳p負(fù)載條件下排斥。這需要獨(dú)特的設(shè)計(jì)和管理，以確保操作元素僅在適當(dāng)時(shí)關(guān)閉。此外，如果系統(tǒng)的工作電流突然增加，它們幾乎可以立即獲得響應(yīng)。

電路拓?fù)浣?jīng)過改進(jìn)，可以在低電源電壓和超低偏置電流下工作，對(duì)于那些必須持續(xù)保持活動(dòng)狀態(tài)的模塊。

“最大限度地降低電源電壓和工作電流可以最大限度地減少所需的工作功率，我們最終將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)輸入電流。最后，我們添加了先進(jìn)的抗噪措施，確保以超低偏置電流運(yùn)行的電路不會(huì)受到干擾，”科勒說。除了優(yōu)化設(shè)備的電路和架構(gòu)外，瑞薩電子還檢查了應(yīng)用級(jí)用例，并尋找將工作電流降至最低的機(jī)會(huì)。

“首先，我們內(nèi)置了電源切換功能，允許設(shè)備在存在時(shí)從次級(jí)低電壓偏置電源運(yùn)行內(nèi)部電路。上述允許設(shè)備從使用通常較高的系統(tǒng)輸入切換到較低的電壓。在大多數(shù)情況下，應(yīng)用程序?qū)⒗么斯δ軓钠漭敵鰹?IC 內(nèi)部電路供電，利用開關(guān)降壓效率增益，以最大限度地減少從較高系統(tǒng)電源汲取的電流。此外，我們還在 IC 內(nèi)集成了一個(gè)低電流電壓反饋網(wǎng)絡(luò)。這允許系統(tǒng)消除外部電壓反饋網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)通常由輸出和接地之間的一對(duì)電阻器組成，并且會(huì)消耗相對(duì)較高的靜態(tài)電流。

電磁干擾特性

現(xiàn)代電子設(shè)備的日益普及給人們帶來方便的同時(shí)，也加劇了電磁環(huán)境的惡化。電磁干擾 (EMI) 是由電磁波與電子元件相互作用引起的一組噪聲現(xiàn)象。由于電子設(shè)備在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁波，各種電子設(shè)備會(huì)相互干擾，對(duì)敏感電路造成意想不到的影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)妨礙電流的正常工作。降低 EMI 對(duì)每個(gè)設(shè)備都至關(guān)重要。?

“要解決 EMI 問題，必須仔細(xì)規(guī)劃和構(gòu)思設(shè)備的許多方面。這些設(shè)備的幾個(gè)特性和規(guī)格必須協(xié)同工作；刪除或省略其中任何一個(gè)，EMI 性能都會(huì)受到很大影響，”科勒說。

電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中 EMI 需要考慮的一些設(shè)計(jì)方面如下：

優(yōu)化器件引出線以最小化高電流回路的橫截面積，從而最小化穩(wěn)壓器產(chǎn)生的電磁能。

控制操作特性，使所產(chǎn)生的功率的頻率成分處于非常嚴(yán)格控制的頻帶內(nèi)。

確保設(shè)備在寬頻帶上運(yùn)行，以便在需要避開某些頻帶時(shí)提供應(yīng)用級(jí)靈活性。

專為寬工作頻率而設(shè)計(jì)?

旨在支持整個(gè)功能頻段的寬占空比，避免脈沖跳躍的需要

采用高峰值電流 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)

增加設(shè)備與外部時(shí)鐘同步的能力，以提供系統(tǒng)對(duì)頻率的精確控制

添加可編程擴(kuò)頻功能，可以啟用該功能以最小化在任何給定頻率中產(chǎn)生的能量幅度。

解決 EMI 的一個(gè)方面是減少穩(wěn)壓器功率級(jí)發(fā)射的能量。必須仔細(xì)優(yōu)化器件的引腳輸出，以便壓縮高電流信號(hào)路徑的橫截面積以實(shí)現(xiàn)它。

“這要求優(yōu)化源路徑和返回路徑，并允許旁路電容器的緊密放置。通常，這些要求與其他約束沖突，因此構(gòu)成了設(shè)計(jì)權(quán)衡。

例如，盡管它通常會(huì)最小化電流回路的尺寸，但通常不希望電源和接地引腳緊鄰。這是因?yàn)槲覀冞€必須考慮故障模式，例如相鄰引腳之間的短路。將電源短接到地可能會(huì)給系統(tǒng)帶來災(zāi)難性的后果，因此我們通常避免將這些引腳彼此相鄰放置。因此，仍然必須結(jié)合設(shè)計(jì)的許多方面來考慮優(yōu)化管腳以降低 EMI，”Kohler 說。

他補(bǔ)充說：“除了最大限度地減少開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的能量之外，我們還采取了多種措施來控制剩余能量的頻率成分。根據(jù)應(yīng)用的不同，某些頻段的限制比其他頻段要嚴(yán)格得多。因此，重要的是設(shè)計(jì)穩(wěn)壓器以嚴(yán)格控制其頻率內(nèi)容，并為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供調(diào)整應(yīng)用級(jí)參數(shù)的能力，以便能量避開該應(yīng)用的關(guān)鍵頻段?！?/p>

DC-DC 穩(wěn)壓器

ISL78264 雙同步降壓控制器管理第一級(jí) DC/DC 的中間轉(zhuǎn)換，將電池系統(tǒng)降低至 12V 至 5V 和 3.3V，以為車輛電子檢查單元 (ECU)、車輛信息娛樂系統(tǒng) (IVI) 和數(shù)字駕駛艙系統(tǒng)供電功率等級(jí)為 50W-200W。ISL78263 雙同步升壓和降壓控制器提供 DC/DC 轉(zhuǎn)換以支持 25W-100W 的功率水平，同時(shí)如果電池電壓 (VBAT) 在肘部轉(zhuǎn)換或啟動(dòng)/停止事件期間降至 2.1V，則提供預(yù)升壓。集成 EMI 抑制，開關(guān)頻率高達(dá) 2.2 MHz，還降低了 EMI 濾波/屏蔽的成本和尺寸。

ISL78263 和 ISL78264 允許用戶在頻段以上或以下進(jìn)行操作。當(dāng)在拉伸以上運(yùn)行時(shí)，即在更高的頻率下，時(shí)鐘周期變得非常短。降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的功能是在輸入電源（考慮導(dǎo)通時(shí)間）和接地（考慮關(guān)斷時(shí)間）之間切換。

輸出電壓通過占空比或開啟和關(guān)閉時(shí)間之間的比率來穩(wěn)定。

為了提供寬范圍的輸入輸出電壓比（這是必需的，因?yàn)槠?12V 電源在操作中變化很大），ISL72863 和 ISL78264 必須支持非常包容的占空比范圍。但是，在高工作頻率下可用的更短時(shí)鐘周期需要非常短的開啟和關(guān)閉時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)廣泛的占空比操作。?

“ISL78263 和 ISL78264 可以控制非常短的開啟和關(guān)閉時(shí)間，典型最小值分別為 25 和 40ns。此外，它們提供高峰值電流驅(qū)動(dòng)器，能夠在如此短的時(shí)間內(nèi)打開和關(guān)閉大型外部 MOSFET。如果沒有所有這些功能的組合（頻率的廣泛可調(diào)性、恒定頻率操作、最小的最小開啟和關(guān)閉時(shí)間以及高電流驅(qū)動(dòng)器），就不可能為系統(tǒng)提供所描述的靈活性，”科勒說。

圖 2：使用 ISL78264 的應(yīng)用示意圖。通道 1 固定為 5V （來源：瑞薩電子）

汽車系統(tǒng)的 12V 穩(wěn)壓器需要提供大多數(shù) DC/DC 轉(zhuǎn)換器以及一些汽車系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)特的保護(hù)?！俺Ｒ姷谋Ｗo(hù)，例如輸入欠壓鎖定、輸出欠壓和過壓保護(hù)、輸出過流保護(hù)和器件過熱保護(hù)在汽車系統(tǒng)中是必不可少的，但這些保護(hù)存在于大多數(shù)現(xiàn)代穩(wěn)壓器中，”科勒說

汽車系統(tǒng)通常還需要考慮引腳分配，以便相鄰引腳之間的無意短路不會(huì)對(duì)器件造成任何損壞。為了提高安全性和可靠性，汽車系統(tǒng)還要求高端 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器具有自舉欠壓檢測(cè)電路。該功能檢測(cè)自舉電平轉(zhuǎn)換器兩端的電壓，并在偏置過低時(shí)強(qiáng)制刷新自舉電容器。這樣可以防止 MOSFET 驅(qū)動(dòng)不足，否則可能會(huì)導(dǎo)致器件過熱和損壞。此外，12V 總線系統(tǒng)可能會(huì)經(jīng)歷稱為“拋負(fù)載”的強(qiáng)大電壓變化，如果電池?cái)嚅_，交流發(fā)電機(jī)可能會(huì)暫時(shí)導(dǎo)致現(xiàn)代車輛中的系統(tǒng)浪涌至 42V。?

審核編輯 黃昊宇