Jeff Gruetter

凌力爾特公司  產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理

引言

為了提高行車(chē)安全性、舒適度、效率和性能，汽車(chē)中的電子系統密度一直在不斷提高，因此汽車(chē)需要尺寸更小和性能更高的電源轉換解決方案就不足為奇了。這類(lèi)新型多通道電源管理解決方案需要提供多達 4 個(gè)獨立的電源軌，其中 3 個(gè)通常用來(lái)給微處理器所需的 V_CORE、V_I/O 和 V_MEM 供電，第四個(gè) 5V 軌一般用來(lái)給 CAN 收發(fā)器供電。按照 Strategy Analytics 公司的研究結果：“未來(lái) 7 年，對可行半導體器件的需求預計將以 5% 的平均年復合增長(cháng)率 (CAGR) 增長(cháng)，到 2021 年總體市場(chǎng)規模將超過(guò) 410 億美元，而 2014 年市場(chǎng)規模為 300 億美元�！痹摴�司還預測，對微控制器和電源半導體的需求將產(chǎn)生超過(guò) 40% 的收入。

Strategy Analytics 針對汽車(chē)中電子系統的增長(cháng)預測提供了量化描述，但是更令人感興趣的是，電源 IC 在這種增長(cháng)中發(fā)揮了無(wú)處不在的作用。這些新型電源 IC 必須：

1. 用單一電源管理 IC 提供多個(gè)電壓軌
2. 跨多種電壓范圍提供可靠的性能，包括從 <4V 的冷車(chē)發(fā)動(dòng)和停-啟情況到超過(guò) 36V 的拋載瞬態(tài)
3. 提供從 5V 直至低于 1V 的輸出范圍
4. 具備超低電磁干擾 (EMI) 輻射
5. 提供盡可能的最高效率以最大限度減輕過(guò)熱問(wèn)題，并優(yōu)化電池運行時(shí)間
6. 超低靜態(tài)電流 (每個(gè)通道小于 10µA) 可使安全、環(huán)境控制和信息娛樂(lè )系統等始終保持導通的系統在汽車(chē)引擎 (交流發(fā)電機) 不運行的情況下保持工作狀態(tài)，并不會(huì )耗盡汽車(chē)電池的電量
7. 提供占板面積最小的解決方案，且常常需要提供多個(gè)電壓軌，以最大限度減少電源轉換電路所需空間
8. 提供 2MHz 或更高的開(kāi)關(guān)頻率，以保持開(kāi)關(guān)噪聲在 AM無(wú)線(xiàn)電頻段以外，并保持很小的解決方案占板面積

汽車(chē)中的電子系統日益增多、越來(lái)越復雜，提高電源 IC 性能的目的是允許設計適應這種狀況的電子系統。促進(jìn)汽車(chē)中電子系統增長(cháng)的具體應用在汽車(chē)中到處都是。例如，新型行車(chē)安全系統包括車(chē)道監視、自適應行車(chē)安全控制、自動(dòng)轉向和前燈調光等。信息娛樂(lè )系統 (車(chē)載多媒體系統) 不斷演變，在一個(gè)已經(jīng)很擁擠的空間中不斷塞入更多功能，但是現在還必須支持日益增加的云應用。采用了停/啟系統的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機管理系統以電子方式控制變速器和發(fā)動(dòng)機。動(dòng)力傳動(dòng)和底盤(pán)管理系統旨在同時(shí)提高性能、行車(chē)安全和舒適性。幾年前，還僅能在“高端”豪華型汽車(chē)中見(jiàn)到這些系統，但是現在這些系統在每一家制造商的汽車(chē)中都屬于常見(jiàn)配置了，這進(jìn)一步加速了汽車(chē)電源 IC 市場(chǎng)的增長(cháng)。

更小的電源轉換電路

有幾種方法可使電源轉換電路更小。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)將電源 IC 的開(kāi)關(guān)頻率從 400kHz 提高到 2MHz，這類(lèi)外部組件的尺寸可以極大減小。不過(guò)，要有效實(shí)現這一目標，電源 IC 必須能夠在這類(lèi)較高的頻率上具備高效率，這在以前是不可行的。然而，通過(guò)采用最新工藝和設計方法，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出同步電源 IC，這類(lèi) IC 以 2MHz 切換時(shí)效率超過(guò) 90%。高效率工作最大限度降低了功耗，從而無(wú)需散熱器。高效率工作還有一個(gè)附加的好處，即保持開(kāi)關(guān)噪聲位于 AM 頻段以外，這對很多噪聲敏感型電子系統而言是至關(guān)重要的。

另一種顯著(zhù)減小電源轉換電路的方法是，當需要幾個(gè)單獨的輸出電壓軌時(shí)，用多輸出轉換器代替多個(gè)單獨的器件。例如，當給一個(gè)微處理器供電時(shí)，大多數設計都需要 3 個(gè)獨立的輸出，以給微處理器所需的 V_CORE、V_I/O 和 V_MEM 供電，還需要第四個(gè) 5V 軌給 CAN 收發(fā)器供電，該收發(fā)器使微處理器能夠與系統中其余電子組件通信。恰當設計的 4 輸出轉換器 IC 比相應的單輸出轉換器大得不是很多，而其解決方案占板面積卻可能比 4 個(gè)單獨的單輸出轉換器小一半以上，當比較采用 2MHz 開(kāi)關(guān)頻率的 4 輸出穩壓器和以 500kHz 運行的 4 個(gè)單輸出穩壓器時(shí)，尺寸的減小尤其有吸引力。此外，4 輸出轉換器用來(lái)最大限度減小不希望出現的通道間串擾，而 4 個(gè)相鄰單輸出轉換器之間的串擾可能很成問(wèn)題，除非這些轉換器全部同步到一個(gè)公共時(shí)鐘。增加外部時(shí)鐘和同步會(huì )同時(shí)增大尺寸、復雜性以及電路成本。

工作時(shí)具很低的 EMI

因為汽車(chē)電氣環(huán)境有固有噪聲，很多應用易于受到電磁干擾 (EMI) 影響，所以極需關(guān)注的是，開(kāi)關(guān)穩壓器不能加重這類(lèi) EMI 問(wèn)題。因為開(kāi)關(guān)穩壓器一般是輸入電源總線(xiàn)上第一個(gè)有源器件，所以不論下游轉換器好壞，開(kāi)關(guān)穩壓器都會(huì )顯著(zhù)影響轉換器的總體 EMI 性能。因此，最大限度降低 EMI 迫在眉睫。過(guò)去所采取的解決是采用 EMI 屏蔽罩，但是這種方法顯著(zhù)增大了成本和解決方案占板面積，同時(shí)使熱量管理、測試和制造更加復雜。另一種潛在的電源管理 IC 解決方案是降低內部 MOSFET 開(kāi)關(guān)邊沿的變化速度。然而，這種方法產(chǎn)生了不想要的影響，即降低了效率，延長(cháng)了最短接通時(shí)間，損害了 IC 以等于或高于 2MHz 開(kāi)關(guān)頻率提供低占空比的能力。由于人們希望同時(shí)實(shí)現高效率和較小的解決方案占板面積，所以這不是一種可行的解決方案。幸運的是，一些不久前推出的電源 IC 設計同時(shí)實(shí)現了快速開(kāi)關(guān)頻率、高效率工作和較短的最短接通時(shí)間。這些設計可以提供低 EMI 輻射，甚至具 2MHz 開(kāi)關(guān)頻率和效率超過(guò) 90%。這些 IC 設計也無(wú)需使用額外的組件或屏蔽，就可實(shí)現如此高的性能水平，因此成為開(kāi)關(guān)穩壓器設計領(lǐng)域的重大突破。

一種新的 IC 選擇

凌力爾特的 LT8602 是一款 42V 輸入、高效率、4 輸出單片同步降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器。其 3V 至 42V 輸入電壓范圍使該器件非常適合汽車(chē)應用，這些應用必須穩定地通過(guò)最低輸入電壓低至 3V 的冷車(chē)發(fā)動(dòng)和停-啟情況以及超過(guò) 40V 的拋載瞬態(tài)。正如我們在圖 1 中所能看到的那樣，其 4 通道設計提供 4 個(gè)獨立輸出，高壓 2.5A 和 1.5A 通道以及兩個(gè)較低電壓的 1.8A 通道，可提供低至 0.8V 的電壓，從而使該器件能夠驅動(dòng)現有之電壓最低的微處理器內核。其同步整流拓撲具備高達 94% 的效率，而突發(fā)模式 (Burst Mode^®) 工作在無(wú)負載備用情況下保持靜態(tài)電流低于 30µA (所有通道均接通)，從而使該器件非常適合始終保持接通的系統。

圖 1：LT8602 原理圖，提供 5V、3.3V、1.8V 和 1.2V 輸出

就噪聲敏感型應用而言，LT8602 加上一個(gè)小型外部濾波器，就可以運用其脈沖跳躍模式最大限度降低開(kāi)關(guān)噪聲，且可滿(mǎn)足 CISPR25 Class 5 EMI 要求，如圖 2 所示。

圖 2：LT8602 EMI 輻射性能

 (具 Class 5 峰值限制的 CISPR25 輻射測試)

LT8602 的開(kāi)關(guān)頻率可在 250kHz 至 2MHz 范圍內設定，并可在此范圍內同步。其 60ns 最短接通時(shí)間在 2MHz 開(kāi)關(guān)頻率的高壓通道實(shí)現 16V_IN 至 2.0V_OUT 降壓轉換。當高壓 V_OUT2 通道為兩個(gè)低壓通道 (V_OUT3 和 V_OUT4) 饋電時(shí)，這些低壓通道可提供低至 0.8V 輸出，同時(shí)以 2MHz 切換，從而可提供非常緊湊 (約 25mm x 25mm) 的 4 輸出解決方案，如圖 3 所示。

圖 3：LT8602 四輸出解決方案占板面積 (2x實(shí)際尺寸)

除了最大限度減小解決方案尺寸，LT8602 的 2MHz 開(kāi)關(guān)頻率還使設計師能夠避開(kāi)關(guān)鍵噪聲敏感頻段 (例如 AM 無(wú)線(xiàn)電頻段)。LT8602 的每個(gè)通道在所有條件下都保持僅為 200mV (在 1A) 最低壓差電壓，從而使該器件能夠在諸如汽車(chē)冷車(chē)發(fā)動(dòng)等情況下表現出色。每個(gè)通道的可編程加電復位和電源良好指示器有助于確�？傮w系統可靠性。LT8602 的 40 引線(xiàn)耐熱性能增強型 6mm x 6mm 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，從而可構成占板面積緊湊的高熱效率解決方案。

LT8602 采用 4 個(gè)內部高效率上管和下管，所有必要的升壓二極管、振蕩器、控制和邏輯電路都集成到單一芯片中。通道 1 和 3 與通道 2 和 4 以 180 度反相切換，降低了輸出紋波。每通道都有一個(gè)單獨的輸入以提高設計靈活性，但是大多數應用會(huì )直接用兩個(gè)高壓通道運行兩個(gè)低壓通道，以構成非常簡(jiǎn)單的高頻四輸出設計。低紋波突發(fā)模式工作模式在低輸出電流時(shí)保持高效率，同時(shí)保持輸出紋波低于 15mV_PK-PK。獨特的設計方法和新的高速工藝使得在很寬的輸入電壓范圍內實(shí)現了高效率，而且 LT8602 的電流模式拓撲實(shí)現了快速瞬態(tài)響應和卓越的環(huán)路穩定性。其他特點(diǎn)包括內部補償、電源良好標記、輸出軟啟動(dòng) / 跟蹤以及短路和過(guò)熱保護。

結論

汽車(chē)中電子系統的數量和復雜性都在迅速增加，因此必須對電源管理 IC 性能提出更高的要求。通過(guò)使用 4 輸出電源 IC，汽車(chē)設計師可以極大地減小電源轉換電路所需空間。由于開(kāi)關(guān)頻率為 2MHz，所以外部組件的尺寸 (即電感器和輸出電容器的尺寸) 也可以極大地減小，從而可構成占板面積非常緊湊的 4 軌解決方案。這類(lèi)緊湊型設計也非常堅固，能承受在停-啟、冷車(chē)發(fā)動(dòng)和拋載時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)情況，同時(shí)準確調節所有輸出。此外，超低靜態(tài)電流使這些設計非常適合始終保持接通系統。隨著(zhù)更多的電子系統添加到日益縮小的空間中，最大限度減小解決方案占板面積同時(shí)盡量提高效率變得至關(guān)重要。幸運的是，滿(mǎn)足這些要求的新一代多輸出電源 IC 已經(jīng)上市，從而為將來(lái)在汽車(chē)中增加更多電子系統作好了準備。