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汽车混合电源将静态电流降至最低

作者:Kieran McDonald时间:2017-02-24来源:电子产品世界收藏

     系统常供电的共同挑战是保持足够低的静态,以满足制造商的要求,同时保持高能效、低输入 电压,符合成本和空间要求。为满足这些要求,许多系 统采用低静态的线性稳压器。虽然这种线性稳压满足大 部分要求,但其固有的低功特性效抑制了它在负载增加 和低电压情况下的采用。在线性稳压器中,器件功耗与输出

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201702/344428.htm

图1  线性稳压器温度上升  
功率成正比例。当功耗增加达到拐点时,在给定的环境温度 下,结温达到绝对最高水平(图1)。高于这个水平可靠性会 受到影响,此时开关(SMPS)成为必要。传统开关 虽然可符合能效要求,但通常不符合低静态电流要求。但 是,混合电源可解决这一挑战。
混合电源集成开关电源和低静态电流线性稳压器并将
它们并联,这种模式结合了两个方案各自的优点,减少大多数缺点。工作原理很简单:在系统唤醒状态,负载电流较高
时,启用开关电源,禁用线性稳压器(开关电源模式);在系 统休眠状态下,负载电流时,禁用开关电源,启用线性稳压 器(低压降稳压器LDO模式)。检测负载电流水平的集成电路 (IC)自动执行(图2)。
架构的好处是,输出功率较高时,高能效开关电源工

图2  混合电源框图
作,输出功率较低时,低静态电流线性稳压器工作。开关电
源模式可实现超过90%的典型能效,低静态电流线性稳压器 模式可实现最大39 μA的静态电流。
从开关电源模式转换到低静态电流LDO模式,会引起 输出电压,但活动大小可由输出电容牵制,使输出电压保持 在可承受的范围内,不会产生复位(图3)。
现代汽车系统支持低输入电压以满足“冷启动”或越 来越普遍的“启停”要求。这在开关电源模式中特别重要, 最大占空比限制了最低输入电压。具有高边PMOS的开关电 源可达到100%的占空比,低输入电压模式的唯一障碍是高 边开关的压降和IC的内轨电压要求。但是PMOS开关电源也 有弊端:PMOS开关电源的单元面积相比具有相同导通电阻 的NMOS更大,导致更大的裸片面积,这意味着高边开关的压降更大。NMOS开关电源需要自举升压(至少添加3个外部
元件)来保持NMOS开关门极电压高于电源电压以支持更低 的输入电压。升压凭借充电电容为门极传输电能,自举电容 需要最少的时间常数来充电,提供最大占空比限制。开关电 源的架构可作适当调整以改进这种情况,特别是高频开关电 源;例如,开关频率可在低输入电压条件下提升,增加最大

图3  安森美半导体的NCV891330模式转换;Vin=13  V, Vout=5.0 V, Iout=20 mA to 2.5 A in 1 A/µS
占空比而无脉冲跳跃。有些汽车系统可以监测输入电压,低 于阈值电压时将执行减载,减少系统功能减小负载电流。当 然,更低负载电流导致开关电源高边开关的压降更低。安 森美半导体的NCV891330就是集成NMOS开关电源的混合电 源,通过增加最大占空比利用频率提开(至500 kHz)来实现 低输入电压。具有5.0 V的输出和0.5 A的负载,可在IC输入引 脚实现5.34 V的输入电压。
实现低静态电流的一个替代方案,不是使用混合电源 或线性稳压器,而是使用具有调制方式的开关电源,如具有 可变关断时间的迟滞或突发模式转换器。这样的转换器在轻 载条件下通常使用一个“猝发”脉冲开关然后一个较长的关 断时间开关,关断期间,负载完全由放电输出电容供电。由 于门极驱动电路等在延长关断时间期间被禁用,静态电流可 减至最小。
这种开关电源的静态电流可能等于或低于混合电源。 但是,无论是在轻载还是在静态条件下,更低的总输入电 流 取 决 于 突 发 模 式 的 总 能 效 、 负 载 电 流 和 静 态 电 流 。 例 如,12 V输入、5.0 V输出、100 μA负载电流和39 μA静态电 流 的 混 合 开 关 电源 ( 如 安 森 美 半 导 体 的NC V891330), 将 有 1 3 9 μ A 的 输 入 电 流 ( 表 1 ) 。 但 是 , 1 2V输入、5.0 V输出、100 μA负载电流和40 μ A 静 态 电 流 的 低 静 态电流开关电源,轻 载能效却低于35%, 将有 1 5 9 μ A 的 输 入 电流,较混合电源高14%(表2)。


此外,这种迟滞 调制方式将导致可变 的关断时间,这等同
于每个周期的时间可变;换言之即频率可变。频率成为电感值、负载电流和占空 比的函数,因而不再是一个可直接控制的值。未知的基本频 率会产生不可预知的电磁光谱响应,如果不知道基本频率, 其辐射将难以抑制。
关 系 到 迟 滞 和 突 发 模 式 拓 扑 结 构 有 一 个 频 率 可 变 的 输 出 纹 波 电 压 , 其 频 率 可 变 , 且 高 于 采 用 传 统 脉 宽 调 制 (PWM)技术的开关电源。采用PWM控制的混合电源将产生 较低的输出电压纹波。
总之,混合电源的实现提供低静态电流,同时保持重 载时的高能效、低输出电压纹波。可预测的电磁辐射和支持 低输入电压。低静态电流线性稳压器仍然适用于轻载,但不 适用于具挑战性的热环境中的重载应用。低静态电流开关电 源有时可提供较低总输入电流,但其静态电流和轻载效应慎 重分析。
安森美半导体的NCV891330是混合型开关电源/低压降
稳压器电源。它集成3 A的2 MHz、非同步的、输出电流达 PWM转换器以及最大静态电流的39 µA、能输出50 mA电流 的线性稳压器。它有出厂固定的输出电压选择,内部补偿并 配有复位和使能引脚。NCV891330采用SOIC-8 EPAD封装, 是混合电源IC系列的成员,具有不同特性和封装选择。



关键词: 汽车 电源 电流

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