現(xiàn)代汽車不斷增加越來越復雜的電子系統(tǒng)。目前在一般的汽車中，電子系統(tǒng)成本占總成本的20%多，但是到2008年，這一比例將增長到超過30%。防撞特種、自適應巡航控制、輪胎壓力監(jiān)視、導航系統(tǒng)、免提蜂窩電話和其它無線連接以及生物識別訪問系統(tǒng)都是這些電子系統(tǒng)的具體例子。

不過，一個有極大增長的領域是基于DVD/HDD的導航系統(tǒng)。這類系統(tǒng)1997年推出，預計2005年全球銷量將超過1300萬臺。就任何類型的電子產(chǎn)品而言，汽車應用環(huán)境都一直是非常嚴酷的，這并不讓人感到意外。寬工作電壓范圍要求加上高瞬態(tài)電壓和大的溫度變化給電子系統(tǒng)很大的難題。更嚴重的是，性能要求不斷增高，而且系統(tǒng)不同的部分需要多種不同的電源電壓。

今天生產(chǎn)的大多數(shù)中高檔汽車都將基于DVD的GPS導航系統(tǒng)作為標準設備提供。然而，設計一個處理這類系統(tǒng)中所有不同電壓軌的電源可能像為筆記本PC設計電源系統(tǒng)一樣復雜。一般的導航系統(tǒng)可能有6個或更多不同的電源，這包括8V、5V、3.3V、2.5V、1.5V和1.2V電源。8V用于為旋轉(zhuǎn)光盤的DVD電動機供電，這通常需要高達2A的峰值電流。5V和3.3V電源軌一般用于系統(tǒng)總線，通常需要分別提供2A~3A的電流。存儲器和I/O都需要2.5V電源軌，因此1A~2A的電流足夠了。1.5V和1.2V電源軌分別用于為CPU內(nèi)核和DSP內(nèi)核供電。這兩個軌的功率通常分別為3W~5W。圖1顯示了具有內(nèi)置導航系統(tǒng)的汽車內(nèi)部情況。

同時，隨著這些系統(tǒng)中的組件數(shù)增多，可用空間也越來越小了。因此，既然任何實際的散熱系統(tǒng)都太大，無法輕易容納到電子系統(tǒng)中，那么在空間限制和工作溫度范圍這些先決條件下，轉(zhuǎn)換效率就變得更關鍵了。在低輸出電壓和甚至高于幾百毫安的中等電流時，簡單地用線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生這些系統(tǒng)電壓不再有實際意義。因此，在過去幾年中，主要由于熱量限制，開關穩(wěn)壓器一直在不斷地取代線性穩(wěn)壓器。開關的好處包括效率提高和占板面積減小，與額外的復雜性和EMI問題相比，還是利大于弊的。

考慮到這些限制因素，一個開關穩(wěn)壓器用于汽車導航系統(tǒng)時，需要具有以下特點：

寬輸入工作范圍

在寬負載范圍內(nèi)的高效率

在正常工作、備用和停機時具有低靜態(tài)電流

低熱阻

噪聲和EMI輻射最低

負載突降抗毀性

讓我們來更詳細地逐一考慮這些重要特性。

寬輸入工作范圍

任何開關穩(wěn)壓器都需要規(guī)定工作在3V~60V的寬輸入電壓范圍，以確保滿足冷車發(fā)動和負載突降情況的要求。寬輸入電壓范圍還有一個附加的好處：允許這些汽車系統(tǒng)在14V或42V電壓上工作。而且，60V額定值為14V系統(tǒng)提供了良好的裕度，這種系統(tǒng)通常箝位在36V~40V的范圍。

效率

在大多數(shù)汽車系統(tǒng)中，寬負載范圍內(nèi)的高效率電源轉(zhuǎn)換都是極其重要的。例如，在10mA~2.5A的負載范圍內(nèi)，5V輸出希望的電源轉(zhuǎn)換效率大約為85%。在大電流時，內(nèi)部開關需要有良好的飽和度，一般在3A時為0.1。為了提高輕負載時的效率，要降低驅(qū)動電流或者讓驅(qū)動電流與負載電流成正比。內(nèi)部控制電路也可以通過偏置引腳供電，而偏置引腳可以由輸出供電。這利用了降壓轉(zhuǎn)換器的電源轉(zhuǎn)換效率。實際上，這個偏置電流是從輸出而不是輸入獲得的，這就按照輸出與輸入電壓比降低了控制電路所需的輸入電源電流。例如，一個在3.3V時為100mA的輸出電流在12V時僅需要平均30mA的輸入電流。這最大限度地降低了控制電路所需的輸入電流，并提高了輕負載時的效率。

低靜態(tài)電流

有很多汽車系統(tǒng)應用需要連續(xù)功率，甚至在汽車停車后也是這樣。這些應用的一個關鍵要求是低靜態(tài)電流。在輸出電流降至低于大約100mA之前，這種應用設備會一直以正常的連續(xù)開關模式工作。低于這一電流值以后，開關穩(wěn)壓器必須進行脈沖跳躍以維持穩(wěn)定電壓。穩(wěn)壓器在脈沖之間可以進入休眠模式，在這種模式中，只對部分內(nèi)部電路供電。在輕負載電流時，開關穩(wěn)壓器需要自動切換到突發(fā)模式工作。就12V~3.3V的轉(zhuǎn)換器而言，在這種模式中，靜態(tài)電流應該降至低于100mA。內(nèi)部基準和電源良好電路在休眠模式時將保持運行以監(jiān)視輸出電壓。靜態(tài)電流在停機時應該低于1mA。

低熱阻

理想情況下，節(jié)點至外殼的熱阻應該較低。如果器件的底面是露銅的并焊接到PC板表面，那么PC板可將熱量從器件中傳導出去。現(xiàn)在常用具有內(nèi)部電源平面的4層電路板可以實現(xiàn)40℃/W范圍內(nèi)的熱阻。對金屬外殼熱量有良好傳導作用的高環(huán)境溫度應用可實現(xiàn)的熱阻接近10℃/W的典型節(jié)點至外殼熱阻。這有助于擴大有用的工作溫度范圍。

噪聲與EMI輻射問題

盡管開關穩(wěn)壓器比線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生較大噪聲，但是開關穩(wěn)壓器的效率卻高得多。現(xiàn)在已經(jīng)證明，在很多敏感應用中，噪聲和EMI是可管理的，只要開關按預期工作就行。如果一個開關穩(wěn)壓器在正常工作模式時以恒定頻率開關，切換邊緣是干凈并可預測的，沒有過沖或高頻振鈴，那么就可以最大限度減小EMI。小封裝尺寸和高工作頻率可以實現(xiàn)小且緊湊的布局，這也最大限度地減小了EMI輻射。此外，如果穩(wěn)壓器可以采用低ESR陶瓷電容器，那么輸入和輸出電壓紋波都可以最大限度地減小，這種紋波是系統(tǒng)中噪聲的附加來源。

負載突降時不被損壞的能力

負載突降指的是在交流發(fā)電機給電池充電時電池電纜斷接的情形。圖2顯示了由負載突降引起的典型電流脈沖。這種突然斷接可能產(chǎn)生高達60V的瞬態(tài)電壓尖峰，因為交流發(fā)電機試圖給電池完全充電。交流發(fā)電機上的瞬態(tài)電壓抑制器通常把總線電壓箝位于36V和60V之間，因而使得交流發(fā)電機的下游器件主端DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠承受60V的瞬態(tài)尖峰。由于希望這些轉(zhuǎn)換器以及由這些轉(zhuǎn)換器供電的子系統(tǒng)在瞬態(tài)事件發(fā)生期間和發(fā)生以后正常工作，所以DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠處理這種高瞬態(tài)電壓是至關重要的。目前有各種可在外部實施的保護電路（通常是瞬態(tài)電壓抑制器），但是這些電路增加了成本并需要占用寶貴的電路板空間。凌特公司的高壓開關穩(wěn)壓器都能承受高達60V的瞬態(tài)電壓，同時在不對系統(tǒng)性能或可靠性造成影響的前提下維持輸出穩(wěn)定。一般情況下，這些穩(wěn)壓器都是降壓型或降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，可經(jīng)受由充電/電池系統(tǒng)中斷引起的汽車電池和交流發(fā)電機的電壓置換。

負載突降瞬態(tài)是由正在充電的電池意外斷接引起的電壓尖峰。

負載突降瞬態(tài)規(guī)格為36V~60V，但是取決于具體使用的是哪一代電源以及所用的控制方法。

如果不加抑制，負載突降瞬態(tài)可能損壞電源總線上的很多電子元件。

具有內(nèi)在高壓瞬態(tài)和高效率要求的汽車子系統(tǒng)對電源設計提出了越來越高的要求。這些電源必須在非常緊湊的占板面積上提供大功率、高效率和低噪聲，而且必須在寬輸入電壓范圍內(nèi)維持高效率。有些DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案在高輸入電壓時可以滿足上述部分要求，但是它們在低輸入電壓時無法保持高效率。很多這類轉(zhuǎn)換器都有頻率補償電路，需要笨重的輸入和輸出電容器，這不僅增大了解決方案的總體尺寸，而且還導致高輸出紋波電壓。

凌特公司最近推出的DC/DC轉(zhuǎn)換器LT3434解決了上述汽車導航應用的很多關鍵問題，它屬于一個不斷擴大的60V單片降壓型開關穩(wěn)壓器系列。LT3434工作在3.3V~60V的寬輸入電壓范圍，參見圖3。它在負載電流高達2.5A時仍具有高效率。在所有電壓、負載和溫度條件下，其基準準確度均為2%。

由于具有能以突發(fā)模式（BurstMode）工作的特點，就12V~3.3V應用而言，其靜態(tài)電流低于100uA。該器件采用小型扁平TSSOP封裝，具有非常低的熱阻，允許設計占板面積小的方案。最后，它采用電流模式拓撲以獲得良好的瞬態(tài)響應和容易實現(xiàn)補償，以及用獲得專利的電路在所有占空比條件下保持恒定峰值開關電流。開關頻率是恒定的200kHz，而且該器件也可以與更高的頻率同步。它在汽車溫度范圍內(nèi)提供嚴格穩(wěn)定的電壓，并具有電源良好/復位、軟啟動和UVLO功能。該集成電路可為汽車降壓型應用組成電流高達2.5A和堅固、高效且占板面積小的解決方案。

結論

盡管汽車導航系統(tǒng)設計非常復雜，而且要求高性能模擬DC/DC轉(zhuǎn)換器，但是無需驚慌。像凌特公司這樣的供應商正在推出一批新潮穩(wěn)壓器，這些穩(wěn)壓器兼有大量關鍵功能，使電源設計對系統(tǒng)工程師來說不再那么傷腦筋了。