汽车电源集成电路的新应用与新挑战

　　引言

　　汽车中每年都在不断增加日益复杂的电子系统，以最大限度地提高舒适性、安全性和性能，同时最大限度地减少有害气体排放。市场调查公司IC Insights预计在2008年汽车半导体市场将增长到181亿美元以上，而2006年这一市场为140亿美元。另一家市场调查公司 Strategy Analytics 也做出了同样乐观的预测：“今天，就一般的汽车而言，电子系统成本占总成本的22%以上，不过到2008年，这一比例将提高到30%以上。” 信息娱乐系统、行车安全保障系统、发动机管理、卫星无线电设备和电视机、LED照明、免提蜂窝电话以及其他无线连接系统都是这类电子系统的例子。5年前，这类系统仅出现在欧洲“高档”豪华型汽车中，但是现在这些系统正在集成到所有制造商的中档汽车中，这使得汽车集成电路市场的增长更快了。

　　发动机控制管理是对汽车集成电路市场起到推动作用的电子应用之一。全球尾气排放标准一年比一年严格，单位油量里程数要求在提高，客户则需要更高的性能。这些要求以前是相互制约的，但是现在汽车制造商采用了“智能”发动机控制系统、大量传感器和一些 DSP，可以实现更高的发动机效率，同时能让发动机以更干净的方式运转。电子产品在行车安全保障、环境气氛控制、照明、导航和无线连接以及底盘控制系统中也掀起了类似的革命。总之，这些新型系统提高了安全性、性能和驾驶员的舒适度，并减轻了对环境的污染。

　　随着汽车系统中电子元件数量的增加，可用空间不断缩小，这极大地提高了每个系统的电子元件密度。所有这些系统都需要电源转换集成电路，通常需要多种电压轨以满足每个子系统的需求。在效率和小尺寸不是最重要的考虑因素时，线性稳压器一度用来完成大多数电源转换任务。但是随着电源密度提高了一个量级，以及很多应用需要相对高的环境温度，任何有实际意义的散热器都显得太大而无法使用了。因此，由于空间限制和工作温度范围要求，电源转换效率成了关键因素。在低输出电压和甚至高于几百毫安的中等电流水平时，简单使用线性稳压器来产生这些系统电压都不再有任何实际意义，因为这样会产生太多热量。受到这些限制的结果是，开关稳压器正在取代线性稳压器。效率提高、占板面积减小等开关稳压器的好处胜过了设计复杂性提高、需考虑 EMI 问题等弊端。

　　本文的主要目的是研究这些新型汽车电源集成电路怎样才能满足一个电气和热限制都很苛刻的环境提出的所有这些新需求。

　　“始终接通”系统需要低电源电流

　　除了会遇到负载突降和冷车发动情况，很多电子子系统还需要工作在消耗最低电流的备用模式。在大多数导航、行车安全保障、车辆安全和发动机管理电源系统中，都有这种以备用除了会遇到负载突降和冷车发动情况，很多电子子系统还需要工作在消耗最低电流的备用模式。在大多数导航、行车安全保障、车辆安全和发动机管理电源系统中，都有这种以备用模式工作的电路。每个子系统都采用几个微处理器和微控制器。实际上，大多数豪华型汽车都有 60~100 个这样的 DSP。大多数 DSP 都以两种不同的模式工作。首先，当汽车运行时，这些 DSP 一般以电池馈送的满电流工作，并对系统充电。但是当汽车点火系统关闭时，这些微处理器中有很多必须保持“有效”，因此仍然消耗电池电流。由于导航、车辆安全、环境气氛控制和发动机管理系统可能需要 30 多个这类始终保持接通的处理器，因此，即使点火系统关闭了，对电池仍然有功率需求，而且这种需求在不断增大。为这些始终保持接通的处理器供电所需的总电源电流可能达到几百毫安，这有可能在几天之内彻底耗尽电池电量。例如，出差两到三周以后，一辆豪华汽车的电池可能已经无法启动发动机了。这些电源的静态电流需要大幅降低，这样才能不用大量增加这些电子系统的尺寸或复杂性，就能节省电池电量。直到最近，高输入电压和低静态电流一直是 DC/DC 转换器的两个相互制约的参数。如果一辆汽车的高压降压型转换器每个需要 2~10mA 的电源电流，那么几个这样的转换器加上 ABS 刹车、电动开窗等其它大量必须始终保持接通的系统，所产生的漏电流可能消耗极多的电池电量。

　　为了更好地控制这些需求，几家汽车制造商为始终保持接通的 DC/DC 转换器确定了 100mA 的低静态电流目标。直到最近，一直要求系统制造商给降压型稳压器并联一个低静态电流 LDO，每次汽车点火装置关闭后，都要从转换器切换到电流低得多的 LDO。这样的解决方案昂贵、笨重且效率相对较低。凌力尔特公司提供了 36V~60V 输入、<100mA 的降压型 DC/DC 转换器，如表 1 所示。能以突发模式(Burst Mode)工作的开关稳压器可组成紧凑得多、效率也高得多的解决方案，可解决始终保持接通带来的问题。

　　负载突降和冷车发动情况

　　负载突降是交流发电机正在给电池充电而电池电缆断接时出现的情况。在汽车正在工作时电池电缆松动或汽车运转时电池电缆断裂，都可能发生负载突降情况。在交流发电机试图全力充电时电池电缆突然断接，可能产生高达60V的瞬态电压尖峰(见图1和图2中的36V和60V瞬态图形)。交流发电机上的瞬态电压抑制器通常将总线电压箝位在36V到60V之间，并吸收大部分浪涌电流。不过，交流发电机的下游器件DC/DC转换器要承受这些36V至60V的瞬态尖峰。由于这些转换器和由转换器供电的子系统在这种瞬态事件发生期间不能损坏，而且在某些情况下还要稳定输出电压，因此DC/DC转换器能够处理这些高压瞬态是至关重要的。可以在外部实现各种保护电路(通常是瞬态电压抑制器)，但是外部电路提高了成本，而且需要占用宝贵的空间。

　　冷车发动是汽车发动机在寒冷或冰冻温度下度过一段时间后发生的情况。这时机油变得非常黏稠，需要发动机启动器提供更大的扭转力，而这就需要电池提供更大的电流。这种大电流负载能在点火时将电池/主端总线电压拉至低于4.0V，之后，电压一般会返回到标称的12V至13.8V电压(见图1)。对某些应用，如发动机控制、行车安全保障和导航系统，当务之急是需要一个非常稳定的输出电压(通常是3.3V)，以在冷车发动时平滑工作。

　　有多种解决方案

　　根据输出电流和瞬态保护要求的不同，凌力尔特公司提供几种可以在冷车发动和负载突降情况下正常工作并需要低于 100mA 静态电流(见表 1)的开关稳压器。具有高达 60V 输入瞬态保护的 2A、38V 降压型开关稳压器 LT3480 就是一个很好的例子。其突发模式工作在无负载备用情况下可保持静态电流低于 70mA。

　　LT3480 的 3.6V 至 38V 输入电压范围和 60V 的瞬态保护使其非常适合汽车应用中的负载突降和冷车发动情况。在图 1 中，LT3480 提供 3.3V 稳定输出，可承受 36V 瞬态。在图 2 中，LT3480 实际上在高于 41.5V 时将自己关断，以保护自身和下游电路。瞬态电压降至低于 38V 时，LT3480 会回到稳压状态。

　　LT3480 的 3A 内部开关可以在电压低至 0.79V 时提供高达 2A 的连续输出电流。该器件以突发模式工作时具有仅为 70mA 的无负载静态电流(见图 3)，非常适合汽车或电信系统应用，这些应用需要始终保持接通工作和最长的电池工作时间。开关频率在 200kHz 至 2.4MHz 范围内是用户可编程的，使设计师能够优化效率，同时避开关键的噪声敏感频段。其 3mm x 3mm DFN-10 封装(或耐热增强型 MSOP-10E 封装)和高开关频率允许使用小型外部电感器和电容器，从而可组成占板面积非常紧凑和传热效率很高的解决方案。

　　LT3480 采用高效率 3A、0.25Ω开关，单芯片中集成了必需的升压二极管、振荡器、控制和逻辑电路。低纹波突发模式工作在低输出电流时保持高效率，同时保持输出纹波低于 15mVPK-PK。特殊设计方法和新型高压工艺在宽输入电压范围内实现了高效率，同时其电流模式拓扑实现了快速瞬态响应和卓越的环路稳定性。其它特点包括外部同步(250kHz至2MHz)、电源良好标记和软启动功能。

　　汽车环境中的热限制

　　在汽车应用中，除了苛刻的电气环境，热环境也具有同样的挑战性。由于越来越多的电子产品正在挤占车内宝贵的公共空间资源，因而使得热管理变得至关重要。引擎罩内应用通常要求 125 ℃或更高的环境温度，而主要的电子产品“资源”(比如：导航/信息娱乐系统、测量仪器)则面临着散热问题的挑战，因为它们均靠近汽车防火墙(这里的环境温度很高)，并具有非常高的电子元件安装密度。所有电子产品都以热量形式消耗一定量的功率。在电源转换器中管理热量的关键是最大限度地提高每个转换器的效率，这样就最大限度地降低了以热量形式损耗的功率。这是过去几年用开关稳压器取代 LDO 的原因之一。

　　在汽车应用中，除了苛刻的电气环境，热环境也具有同样的挑战性。由于越来越多的电子产品正在挤占车内宝贵的公共空间资源，因而使得热管理变得至关重要。引擎罩内应用通常要求 125 ℃或更高的环境温度，而主要的电子产品“资源”(比如：导航/信息娱乐系统、测量仪器)则面临着散热问题的挑战，因为它们均靠近汽车防火墙(这里的环境温度很高)，并具有非常高的电子元件安装密度。所有电子产品都以热量形式消耗一定量的功率。在电源转换器中管理热量的关键是最大限度地提高每个转换器的效率，这样就最大限度地降低了以热量形式损耗的功率。这是过去几年用开关稳压器取代 LDO 的原因之一。

　　除了器件效率，每个电源转换器件的封装要有很高的传热效率，以更好地将热量从集成电路中传导出去，这也很重要。凌力尔特公司的汽车应用专用器件采用传热效率最高的封装。DFN 以及 MSOP 和 TSSOP 等无引线封装全部采用耐热增强型设计，这些封装的底部有导热焊盘，这使热阻减少了 2 倍多。

　　为了满足最苛刻的高温应用需求 (比如：引擎罩内的应用)，凌力尔特公司推出了 H 级转换器系列，视具体器件而定，这个系列的器件可在 140℃或 150℃的结温下工作。表 2 全面反映了这个系列器件的性能。转换拓扑包括 LDO、高压单片开关稳压器和控制器。



　　例如：一个应用以 12V 输入工作，产生稳定的 5V 电压同时提供 1A 输出电流，这时 LDO 的效率仅为 41%，浪费 7W 功率，这样即使在 80℃时就需要一个很大的散热器，以防止过热导致故障。而开关稳压器(如图 4 中的 LT3480)能以 90% 的效率工作，外部仅消耗 0.5W 功率。其 TSSOP-16E 封装的 qJA 为 45℃/W，那么这一功耗数字代表温度上升 22.5℃，这使得工业级器件(125℃)可用于温度为 102.5℃ 的环境，而 H 级额定温度的器件可用于温度为 137.5℃的环境。

　　结语

　　汽车中专用电子子系统在迅速增多，因此对汽车应用中的电源集成电路产生了苛刻的性能要求。视电源在汽车电源总线上位置的不同，电源可能遇到负载突降和冷车发动以及高环境温度问题。另外，有些系统需要在备用模式下始终保持接通的环境工作，这需要最大限度地减小电源电流。随着汽车中电子系统的不断增多，最大限度地缩小解决方案占板面积，同时又最大限度地提高传热效率也是至关重要的。幸运的是，一些电源集成电路设计师已经设计出满足这些需求的解决方案，为将来在汽车中增加更多的电子系统铺平了道路。