由于汽車(chē)中持續增加電子系統以提高安全性、舒適性、效率和性能，同時(shí)最大限度減少有害尾氣排放，所以汽車(chē)需要物理尺寸更小、功率大得多的電源解決方案就不足為奇了。另外，隨著(zhù)汽車(chē)中 EMI 敏感系統的激增，降低開(kāi)關(guān)電源的 EMI 是至關(guān)重要，所以這給開(kāi)關(guān)穩壓器 IC 設計帶來(lái)了更多挑戰。Strategy Analytics 公司研究指出：“未來(lái) 7 年，這需求將使半導體器件以每年 5% 的平均年復合增長(cháng)率 (CAAGR) 增長(cháng)，到 2021 年，總體市場(chǎng)規模將超過(guò) 410 億美元，而 2014 年這一數字為 289 億美元�！痹摴�司分析發(fā)現，超過(guò) 40% 的收入將來(lái)自對微控制器和電源半導體器件的需求。

Strategy Analytics 對汽車(chē)中電子系統的增長(cháng)提供了非常量化的預測，不過(guò)更有趣的是，在這種增長(cháng)中，電源 IC 發(fā)揮了普遍的作用。這類(lèi)新型電源 IC 設計必須具備以下特點(diǎn)：

1. 在很寬的電壓范圍內提供可靠的性能，包括處理超過(guò) 36V 的瞬態(tài)
2. 具超低電磁干擾 (EMI) 輻射
3. 提供最高效率以最大限度減少過(guò)熱問(wèn)題和優(yōu)化電池運行時(shí)間
4. 解決方案占板面積最小，需要非常大的功率密度以及 2MHz 或更高的開(kāi)關(guān)頻率，以保持開(kāi)關(guān)噪聲落在 AM 無(wú)線(xiàn)電頻段以外，同時(shí)保持解決方案占板面積非常小
5. 具超低靜態(tài)電流 (<10µA) 以實(shí)現始終保持接通系統 (例如安保、環(huán)境控制和信息娛樂(lè )系統) 在引擎 (交流發(fā)電機) 不運轉的情況下保持工作狀態(tài)，同時(shí)不會(huì )消耗汽車(chē)的電池電量

提高電源 IC 性能的目的是，實(shí)現日益復雜和大量的電子系統設計。在汽車(chē)的每一個(gè)方面都能看到驅動(dòng)這種增長(cháng)的應用。例如，新型安全行車(chē)系統，這包括車(chē)道監視、自適應安全行車(chē)控制、自動(dòng)轉向和前燈調光。信息娛樂(lè )系統 (車(chē)載多媒體系統) 也在持續演變，在一個(gè)已經(jīng)很擁擠的空間中容納了越來(lái)越多的功能，該系統還必須支持日益增加的云應用。先進(jìn)的引擎管理系統具備停 / 啟系統和大量采用電子產(chǎn)品的變速器和引擎控制系統，還有旨在同時(shí)提高性能、行車(chē)安全和舒適度的傳動(dòng)系統以及底盤(pán)管理系統。10 年前，這些系統僅出現在高端豪華型汽車(chē)中，但是今天在每個(gè)制造商的汽車(chē)中都屬于常見(jiàn)系統，這進(jìn)一步加速了汽車(chē)電源 IC 的增長(cháng)。以下圖 1 顯示了今天的汽車(chē)中通常能夠見(jiàn)到的大量電子系統。

圖 1：汽車(chē)中的電子系統在激增

汽車(chē)系統中的瞬態(tài)

盡管汽車(chē)中的電池總線(xiàn)電壓通常為 12V (在 9V 至 16V 之間變化，取決于何時(shí)交流發(fā)電機充電)。此外，在各種臨時(shí)條件下，鉛酸電池電壓受多種變化影響。冷車(chē)發(fā)動(dòng)和停-啟情況可能將電池電壓拉低至 3.5V，而拋載可能使電池總線(xiàn)電壓高達 36V。因此，電源 IC 必須能夠在多種輸入電壓變化情況下準確地調節輸出。在冷車(chē)發(fā)動(dòng) / 停-啟和拋載時(shí)，單節鉛酸電池的寬臨時(shí)電壓擺幅如圖 2 所示。請注意，合適的電源 IC (這里是 LT8640) 在出現上述情況時(shí)準確地調節了 3.3V 輸出。

圖 2：在 36V 負載突降瞬態(tài)和 4V 冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況下 LT8640 的表現

低 EMI 工作

因為汽車(chē)電氣環(huán)境有固有噪聲，而很多應用對電磁干擾 (EMI) 是敏感的，所以迫在眉睫的是，開(kāi)關(guān)穩壓器不能加重 EMI 問(wèn)題。由于一般情況下，開(kāi)關(guān)穩壓器是輸入電源總線(xiàn)上的第一個(gè)有源組件，所以無(wú)論下游轉換器性能如何，開(kāi)關(guān)穩壓器都會(huì )對總體轉換器 EMI 性能產(chǎn)生顯著(zhù)影響。因此最大限度降低 EMI 是非常緊迫的任務(wù)。過(guò)去采用的解決方案是，使用一個(gè) EMI 屏蔽盒，但是這極大地增大了解決方案的成本和尺寸，同時(shí)使熱量管理、測試和制造更加復雜。電源管理 IC 內部可以采取的另一種解決方案是降低內部 MOSFET 開(kāi)關(guān)邊沿的速率。不過(guò)，這產(chǎn)生了不良的影響，降低了效率并延長(cháng)了最短接通時(shí)間，影響了 IC 在 2MHz 或更高開(kāi)關(guān)頻率時(shí)提供低占空比的能力。由于人們希望擁有高效率和小尺寸解決方案，所以這不是一個(gè)可行的解決方案。幸運的是，市場(chǎng)上已經(jīng)推出了一些獨特的電源 IC 設計，以同時(shí)實(shí)現快速開(kāi)關(guān)頻率、非常高的效率和很短的最短接通時(shí)間。這些設計一般具備低 20dB 以上的 EMI 輻射，同時(shí)提供 2MHz 開(kāi)關(guān)頻率和 95% 的效率。有些還提供擴展頻譜功能，這可以將 EMI 輻射再降低 10dB。這樣的性能無(wú)需額外增加組件或屏蔽就可以實(shí)現，從而在開(kāi)關(guān)穩壓器設計領(lǐng)域實(shí)現了重要突破。

高效率工作

汽車(chē)應用中電源管理 IC 高效率工作很重要，原因有二。首先，電源轉換效率越高，以熱量形式浪費的能量就越少。因為熱量是任何電子系統長(cháng)期可靠性的敵人，所以必須有效管理熱量，這一般需要用散熱器實(shí)現冷卻，從而增大了整體解決方案的復雜性、尺寸和成本。其次，在混合動(dòng)力或電動(dòng)汽車(chē)中，浪費的任何電能都將直接減少其行駛里程。直到最近，高壓?jiǎn)纹�電源管�?IC 和高效率同步整流設計還是相互排斥的，因為所需要的 IC 工藝不能同時(shí)支持這兩種要求。過(guò)去，最高效率的解決方案是高壓控制器，這類(lèi)控制器采用外部 MOSFET 實(shí)現同步整流。然而，與單片解決方案相比，對低于 25W 的應用而言，這樣的配置相對復雜和笨重。幸運的是，現在市場(chǎng)上已經(jīng)出現了可通過(guò)內部同步整流同時(shí)提供高壓和高效率的新型電源管理 IC。

更小的電源轉換電路

有幾種方式可減小電源轉換電路。一般而言，電路中最大的組件不是電源 IC，而是外部電感器和電容器。通過(guò)將 IC 的開(kāi)關(guān)頻率從 400kHz 提高到 2MHz，這些外部組件的尺寸可以大大減小 (解決方案占板面積可以減小 4 倍)。但是為了有效做到這一點(diǎn)，電源 IC 必須在較高頻率時(shí)提供高效率，這在以前一直是不可行的。不過(guò)，通過(guò)采用新的工藝和設計方法，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出提供 95% 以上效率同時(shí)以 2MHz 切換的同步電源 IC。高效率工作最大限度降低了功耗，消除了對散熱器的需求。高效率工作還增加了可保持開(kāi)關(guān)噪聲處于 AM 頻段以外的好處。

“始終保持接通”系統需要超低電源電流

很多電子子系統都需要在 “待機” 或 “�；睢� 模式工作，處于這種狀態(tài)時(shí)以穩定電壓吸取最低限度的靜態(tài)電流。在大多數導航、行車(chē)安全、安保以及引擎管理電子電源系統中都能看到這類(lèi)電路。此外，這類(lèi)子系統每個(gè)都可能含有幾個(gè)微處理器和微控制器。大多數豪華型汽車(chē)都內置超過(guò) 150 個(gè)這類(lèi) DSP，其中大約 20% 需要始終保持接通工作。在這類(lèi)系統中，電源轉換 IC 必須以?xún)煞N不同的模式工作。首先，當汽車(chē)處于運行時(shí)，為這些 DSP 供電的電源轉換電路一般會(huì )以電池和充電系統饋送的滿(mǎn)電流工作。不過(guò)，當汽車(chē)點(diǎn)火系統關(guān)閉時(shí)，這些系統中的微處理器必須 “始終保持接通”，從而要求其電源 IC 提供恒定電壓，同時(shí)從電池吸取最低限度的電流。既然可能有超過(guò) 30 個(gè)這類(lèi)始終保持接通的處理器同時(shí)工作，那么，即使當點(diǎn)火系統關(guān)閉時(shí)，對電池也有相當大的功率需求�？傮w而言，可能需要數百毫安電源電流為這些始終保持接通的處理器供電，這有可能在幾天時(shí)間內徹底耗盡一個(gè)電池的電量。

因此，這些電源 IC 的靜態(tài)電流需要大幅降低以延長(cháng)電池壽命，且不增加電子系統的尺寸或復雜性。直到最近，對于 DC/DC 轉換器而言，高輸入電壓和低靜態(tài)電流要求還是相互排斥的參數。大約 10 年前，幾家汽車(chē)制造商為始終接通的 DC/DC 轉換器確定了一個(gè) <100µA 的低靜態(tài)電流目標，但是今天，低于 10µA 已成為首選。幸運的是，現在已有新一代電源 IC 可用，這些 IC 在備用模式提供低于 2.5µA 靜態(tài)電流。

新型解決方案

直到現在，仍然沒(méi)辦法確保通過(guò)選擇電源 IC 使 EMI 得到抑制，并滿(mǎn)足效率要求。不過(guò) LT8640 Silent Switcher^® 穩壓器使得這么做成為可能。LT8640 是 Silent Switcher 高壓同步降壓型穩壓器系列的第二款器件。該器件是一款 5A (連續電流，峰值電流 7A)、42V 輸入同步降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器。正如在圖 3 中可以看到的那樣，在沒(méi)有啟動(dòng)擴展頻譜功能時(shí)，EMI 輻射比汽車(chē) CISPER 25 Class 5 峰值限制值低 10dB 至 30dB。在最關(guān)鍵的汽車(chē)頻段，擴展頻譜將這些輻射值再降低 5dB 至 10dB。與現有最新開(kāi)關(guān)穩壓器相比，EMI 輻射合起來(lái)可降低超過(guò) 25dB。下圖中 LT8640 以 2MHz 頻率切換，負載電流為 4A，無(wú)需外部 EMI 屏蔽。

圖 3：有 / 沒(méi)有擴展頻譜時(shí) LT8640 的EMI 輻射性能 (f_SW=2MHz，I_LOAD=4A)

圖 4 所示為 LT8640 的原理圖。同步整流無(wú)需任何外部二極管，從而提高了效率，同時(shí)減小了解決方案占板面積。這個(gè)原理圖電路采用 3.3µH 電感器，以 1MHz 開(kāi)關(guān)頻率切換，提供 96% 的效率。不過(guò)，正如在圖 5 中所能看到的那樣，以 2MHz 頻率運行 LT8640 避開(kāi)了與 AM 無(wú)線(xiàn)電頻段有關(guān)的任何干擾問(wèn)題，且可以使用更小的 2.2µH 電感器，同時(shí)仍然提供 95% 的效率。LT8640 運用獨特設計，最大限度降低了開(kāi)關(guān)損耗，使該器件能夠以 2MHz 或更高的開(kāi)關(guān)頻率提供這么高的效率。

圖 4：LT8640 典型汽車(chē)應用原理圖，提供 5V 輸出

圖 5：圖 4 電路中的 LT8640 在 1MHz、2MHz 和 3MHz 時(shí)的效率曲線(xiàn)

LT8640 的 3.4V 至 42V 輸入電壓范圍使該器件非常適合汽車(chē)及工業(yè)應用。內部高效率開(kāi)關(guān)在電壓低至 0.97V 時(shí)提供高達 5A 的連續輸出電流和 7A 峰值負載。其突發(fā)模式 (Burst Mode^®) 工作僅消耗 2.5µA 靜態(tài)電流，從而非常適合汽車(chē)始終保持接通系統等應用，因為這類(lèi)系統需要延長(cháng)電池工作壽命。LT8640 的獨特設計在所有條件下保持了僅為 100mV (在 1A) 的最小壓差電壓，從而使該器件在汽車(chē)冷車(chē)發(fā)動(dòng)等情況下表現出色。此外，短至僅為 40ns 的最短接通時(shí)間在 16V 輸入至 1.5V 輸出時(shí)實(shí)現了 2MHz 恒定頻率切換，從而使設計師能夠優(yōu)化效率，同時(shí)避開(kāi)關(guān)鍵噪聲敏感頻段。LT8640 的20 引線(xiàn) 3mm x 4mm QFN 封裝和高開(kāi)關(guān)頻率允許使用很小的外部電感器和電容器，可構成占板面積緊湊的高熱效率解決方案。

結論

汽車(chē)中極端復雜的電子系統之迅速增加給電源管理 IC 提出了更高的要求。過(guò)去，大負載電流、高開(kāi)關(guān)頻率和高效率設計合起來(lái)帶來(lái)了巨大的 EMI 挑戰。不過(guò)，LT8640 的獨特設計提供了高效率、快速切換，實(shí)現了占板面積非常緊湊的解決方案，而且 EMI 輻射超低，從而在電源 IC 領(lǐng)域樹(shù)立了全新標準。幸運的是，新一代同步電源 IC 現在已經(jīng)可用，這為未來(lái)汽車(chē)中增加更多電子系統鋪平了道路。