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一、汽車系統中的瞬變

盡管汽車的標稱電池總線電壓為12V，但是視交流發電機充電時間的不同而不同，該電壓可能在9～16V范圍內變化。此外，鉛酸電池電壓在出現各種臨時情況時，會有很大變化。冷車發動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電壓升高到36V。因此，電源IC必須能夠準確地調節輸出，以平穩應對各種輸入電壓變化。冷車發動/停啟和拋載時，使用單節鉛酸電池的多種臨時電壓擺幅如圖2所示。請注意，恰當的電源IC(此處是LT8616)可準確調節3.3V輸出，平穩應對這兩種臨時情況。

二、高效率工作

在汽車應用中，電源管理IC以高效率工作很重要，這主要有兩個原因。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實現長期可靠性的天敵，所以必須有效管理熱量，這一般需要散熱器以提供冷卻，從而增大了總體解決方案的復雜性、尺寸和成本。第二，在混合動力或電動汽車中，電能的任何浪費都會直接減少可行駛里程。直到不久前，高壓單片電源管理IC和高效率同步整流設計還是相互獨立的，因為各自所需IC工藝不可能同時支持這兩種功能。以前，效率最高的解決方案是高壓控制器，這類控制器用外部MOSFET實現同步整流。然而，與單片解決方案相比，對于低于15W的應用而言，這類配置相對復雜、笨重。幸運的是，現在市場上已經有新型電源管理IC，能夠通過內部同步整流同時提供高壓(高達42V)和高效率。

三、始終保持接通系統需要超低電源電流

很多電子子系統需要以“備用”或“保持有效”模式工作，在這種狀態時以穩定電壓吸取最低限度的靜態電流。在大多數導航、行車安全、車輛安全以及發動機管理電子電源系統中，可以看到這類電路。此外，這些子系統都可能使用幾個微處理器和微控制器。最豪華的汽車上有超過150個這類DSP，其中約20%需要始終保持接通工作。在這類系統中，電源轉換IC必須以兩種不同的模式工作。首先，當汽車行駛時，給這些DSP供電的電源轉換電路一般會以電池和充電系統饋送的滿標度電流工作。然而，當汽車點火裝置關閉時，這類系統中的微處理器必須保持有效，從而需要其電源IC提供恒定電壓，同時從電池吸取最低限度的電流。既然可能有超過30個這類始終保持接通的處理器同時運行，那么即使點火裝置關閉，對電池的功率需求也是非常大的。因此，可能總共需要數百毫安(mA)電源電流給這些始終保持接通的處理器供電，這有可能在幾天時間內徹底耗盡電池電量。所以，這些電源IC的靜態電流必須極大地降低，以在不增大電子系統尺寸或復雜性的前提下，延長電池壽命。直到不久前，就DC/DC轉換器而言，高輸入電壓和低靜態電流要求還是相互排斥的。為了更好地管理這些要求，10年前幾家汽車制造商設定了低靜態電流目標，即每個始終保持接通的DC/DC轉換器<100μA，但是今天的首選是低于10μA。幸運的是，新一代電源IC已經推出，可在備用模式提供低于5μA的靜態電流。

四、尺寸更小的電源轉換電路

有幾種方法減小電源轉換電路的尺寸。一般而言，這種電路中最大的組件不是電源IC，而是外部電感器和電容器。通過將這類IC的開關頻率從400kHz提高到2MHz，就可以極大地減小這些外部組件的尺寸。但是為了有效達到這一目的，電源IC必須能夠在這類較高頻率上提供非常高的效率，以前這是不可行的。不過，采用新的工藝和設計方法，已經開發出能夠以2MHz頻率切換同時提供超過92%效率的同步電源IC。高效率工作最大限度降低了功耗，因而無須散熱器。高效率工作還有一個額外的好處，即保持開關噪聲位于AM頻段以外，這一點在任何噪聲敏感電子產品中都是很重要的。另一種顯著減小電源轉換電路尺寸的方法是，當需要兩個單獨的電壓軌時，采用雙通道轉換器而不是兩個單獨的器件。因為一個雙通道轉換器IC的尺寸僅略大于相同的單通道轉換器，因此其解決方案占板面積可以僅為兩個單獨轉換器合起來所占面積的一半。此外，雙通道轉換器可最大限度減小不想要的通道間串擾，而兩個相鄰單個轉換器的串擾可能造成問題，除非它們同步至一個共同的時鐘。如果包括外部時鐘和同步功能，會增大電路的尺寸、復雜性和成本。五、新型解決方案LT8616是一個多輸出、高壓同步降壓型穩壓器系列的首款器件。其3.4～42V輸入電壓范圍使該器件非常適合汽車應用，因為這類應用既會遇到冷車發動或停啟情況導致的低壓瞬態，又會遇到拋載情況導致的高壓瞬態。其雙通道通道具備1.5A和2.5A連續輸出電流能力，同時提供0.8V至略低于VIN的輸出，因此非常適合用來提供多種直接由車輛電池總線而來的汽車電壓軌。該器件是一款占板面積非常緊湊和簡單的雙輸出解決方案，無須任何外部二極管。其原理圖如圖3所示。LT8616的同步整流設計包括用于每個通道的內部頂部和底部MOSFET，每個通道都提供高達95%的效率。圖4顯示，當用標稱12V輸入給5V負載供電時，該器件可提供超過95%的效率，當同時給3.3V負載供電時，效率為94%，甚至在開關頻率相對較高的700kHz時。這種高效率工作最大限度減小了功率浪費，同時甚至在空間最受限的應用中，也無須散熱器。在電動汽車和混合動力汽車中，這種特點的直接作用就是，延長了電池一次充電的可行駛里程。此外，LT8616的突發模式(BurstMode)工作將兩個通道的無負載靜態電流降至僅為5μA，從而使該器件非常適用于始終保持接通應用，因為這類應用即使在無負載時也必須保持恒定電壓調節，以最大限度延長電池壽命。這一點尤其重要，因為始終保持接通的系統越來越多。另外，紋波非常低的突發模式工作拓撲將輸出噪聲最大限度減小至低于10mVPK-PK，從而使該器件適合用于噪聲敏感應用。如果應用需要外部同步，那么可以用脈沖跳躍頻率模式取代突發模式。LT8616非常低的壓差電壓特性也很有益，尤其對必須在停/啟或冷車發動時調節輸出的應用而言。圖4顯示，一旦輸入超過2.9V，即使當輸入電壓降至低于設定的輸出電壓時，在本圖情況下為5V，輸出也始終為2A且比輸入電壓低500mA。這一點很重要，因為很多電子控制模塊(ECM)需要一個或多個微處理器/微控制器。盡管這些微處理器/微控制器設計為用標稱5V電壓工作，但是電源低至3V時，它們仍然繼續工作。而在冷車發動情況下，輸入可能降至3.4V，所以微處理器仍然可以繼續工作，從而使電子控制單元(ECU)在冷車發動情況下一直無縫運行。另外，LT8616的最短接通時間僅為非常短的30ns，這允許以2MHz恒定頻率從24V輸入提供1.5V輸出，從而使設計師能夠優化效率，同時避開關鍵的噪聲敏感頻段，例如，AM收音機頻段。即使在輸入電壓高于16V時，LT8616也將提供低至1V、良好穩定的輸出電壓。由于以較高開關頻率工作可減小外部組件尺寸，所以LT8616的2MHz開關頻率允許實現占板面積非常緊湊的解決方案。此外，也已經有了最大限度減輕潛在EMI/EMC問題的特殊設計方法。LT8616采用了雙通道設計。每個通道都有內部集成的上管和下管高效率電源開關以及必要的升壓二極管。它們的振蕩器、控制和邏輯電路都是共享的，并集成到單個芯片中。兩個通道以180°反相工作，以最大限度減小輸入和輸出紋波。特殊設計方法和一種新的高速工藝在很寬的輸入電壓范圍內實現了高效率，LT8616的電流模式拓撲實現了快速瞬態響應和卓越的環路穩定性。其他特點包括內部補償、電源良好標記、堅固的短路保護輸出軟啟動/跟蹤和過熱保護。28引線3mm×6mmQFN或28引線耐熱增強型TSSOP封裝與高開關頻率相結合，允許使用尺寸很小的外部電感器和電容器，從而提供了占板面積非常緊湊和高熱效率的解決方案。

五、結論

汽車中復雜電子系統的快速增加導致對電源管理IC出現了更高的要求。通過使用雙輸出電源IC，汽車設計可以顯著減少電源轉換電路所需空間。再加上2MHz開關頻率，還可以顯著減小外部組件(即電感器和輸出電容器)的尺寸，從而可提供占板面積非常緊湊的雙軌解決方案。這類緊湊型設計非常堅固，能夠承受停啟、冷車發動和拋載情況導致的瞬態變化，同時準確調節兩路輸出。此外，超低靜態電流使兩個通道非常適合始終保持接通系統。隨著越來越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最大限度提高效率也變得至關重要了。幸運的是，滿足這些要求的新一代電源IC已經上市，從而為未來汽車中增加更多電子產品創造了條件。

作者：JeffGruetter單位：凌力爾特公司