怎樣選購汽車(chē)導航系統的DC/DC轉換器

  汽車(chē)環(huán)境的寬工作電壓要求、大瞬變電壓以及大溫度漂移等因素共同作用下，電子系統面臨著(zhù)嚴酷的條件，本文介紹如何在性能要求變得愈加苛刻的條件下，設計多個(gè)電源電壓以滿(mǎn)足汽車(chē)電子系統不同部分的要求。

         目前生產(chǎn)的大多數中高檔汽車(chē)都配置了基于DVD的GPS導航系統作為標準設備(圖1)。然而可以證實(shí)，如果想設計一個(gè)用于控制此類(lèi)系統內不同電壓軌的電源，其復雜程度絲毫不亞于設計筆記本電腦用的電源系統。一個(gè)標準的汽車(chē)導航系統有可能具有6個(gè)或更多的電源，包括8V、5V、3.3V、2.5V、1.5V和1.2V。8V電源用于給使光盤(pán)旋轉的DVD電機供電；這常常需要高達2A的峰值電流。5V和3.3V電源軌通常為系統總線(xiàn)，一般要求各提供2A～3A的電流。2.5V電源軌用于存儲器和I/O，因此輸送1A～2A的電流便足夠了。1.5V和1.2V電源軌分別用于提供CPU內核和DSP內核電壓。這兩個(gè)電源軌的功率電平一般均在3W～5W之間。&

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         同時(shí)，隨著(zhù)這些系統中組件數目的增加，可用空間日漸狹小。因此，鑒于所有的實(shí)際散熱器都很龐大以致于安裝不便，出于對空間限制以及工作溫度范圍要求的考慮，轉換效率的重要性變得更加突出。在低輸出電壓以及高于幾百毫安的中等電流電平條件下，簡(jiǎn)單地采用一個(gè)線(xiàn)性穩壓器來(lái)生成這些系統電壓已不再可行。因此，在過(guò)去的幾年里，主要由于散熱方面的限制，開(kāi)關(guān)穩壓器一直在逐步取代線(xiàn)性穩壓器。開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)包括較高的效率和較小的占位面積，這使得復雜度的增加以及EMI問(wèn)題變得不那么重要。
 

        如果考慮汽車(chē)導航系統中的開(kāi)關(guān)穩壓器限制條件，則其將需要擁有下列特點(diǎn)和特性：
  寬輸入工作范圍
 在一個(gè)寬負載范圍內具有良好的效率
 在正常操作、待機和停機狀態(tài)下具有低靜態(tài)電流
 低熱阻
 最低的噪聲和EMI輻射
 讓我們較詳細地研究一下這些基本能力：
 1. 寬輸入工作范圍
 
         任何開(kāi)關(guān)穩壓器都需要被規定在一個(gè)3V～60V的寬輸入電壓范圍內工作，以確�？蓾M(mǎn)足"冷車(chē)發(fā)動(dòng)" 和"負載突降" 的條件。它還具有使這些汽車(chē)系統能夠在14V或42V電壓條件下運行的額外優(yōu)點(diǎn)。而且，60V的額定電壓還為通常被箝位于36V～40V的14V系統提供了一個(gè)良好的裕度。另外，60V的額定電壓還使得該器件能夠應用于未來(lái)的42V系統。這就意味著(zhù)一款現今為14V系統所做的設計可以針對42V系統的要求輕而易舉地升級，而無(wú)需進(jìn)行任何重大的重新設計工作。
 
 2. 效率
 
        在大多數汽車(chē)系統中，在一個(gè)寬負載范圍內實(shí)現高效功率轉換是必不可少的。例如，在10mA 至2.5A的負載范圍內，一個(gè)5V輸出的功率轉換效率被要求達到85% 左右。在高電流條件下，內部開(kāi)關(guān)需要具有良好的飽和，通常在3A電流時(shí)為0.1Ω。為了改善輕負載效率，需減小驅動(dòng)電流或使其與負載電流成比例。而且，用于內部控制電路的功率可以通過(guò)一個(gè)偏置引腳來(lái)提供，該偏置引腳可由輸出來(lái)供電。這得益于一個(gè)降壓型轉換器的功率轉換效率。由于該偏置電流吸收自輸出(而不是輸入)，因而使得控制電路所需的輸入電源電流有所減小，降幅為輸出與輸入電壓之比。例如，一個(gè)于3.3V時(shí)的100μA輸出電流只要求于12V時(shí)的30μA平均輸入電流。這最大限度地減小了控制電路所需的輸入電流，并且提高了輕負載時(shí)的效率水平。
 

 3. 低靜態(tài)電流
 
         汽車(chē)系統中有許多應用即使是在車(chē)輛處于停駛狀態(tài)下也要求連續供電。這些應用的一個(gè)關(guān)鍵要求就是低靜態(tài)電流。在輸出電流降至大約100mA 以下之前，該器件將運行于正常的連續開(kāi)關(guān)模式。在該電流電平以下，開(kāi)關(guān)穩壓器必須跳過(guò)若干脈沖以便維持穩壓狀態(tài)。該穩壓器可在脈沖之間進(jìn)入睡眠模式，此時(shí)僅對部分內部電路供電。在輕負載電流條件下，開(kāi)關(guān)穩壓器需要自動(dòng)切換至突發(fā)模式操作。在該模式中，對于一個(gè)12V至3.3V轉換器，靜態(tài)電流應降至100μA以下。在睡眠模式中，內部基準和電源良好電路將保持運行狀態(tài)，以便監視輸出電壓。在停機模式中，靜態(tài)電流應低于1μA。
 
 4. 低熱阻
        理想的情況是，結點(diǎn)至外殼熱阻應該很低。如果器件的背部為裸露銅面并被焊接至PC板的表面，則PC板可被用來(lái)將熱量傳導至遠離器件的地方。目前常用具有內部電源平面的四層電路板能夠實(shí)現約40℃/W的熱阻。具有至金屬外殼良好熱傳導的高環(huán)境溫度應用可獲得接近10℃/W的典型結點(diǎn)至外殼熱阻值。這有助于擴展工作溫度范圍。
 
 5. 關(guān)于噪聲和EMI的考慮
 
        雖然開(kāi)關(guān)穩壓器產(chǎn)生的噪聲多于線(xiàn)性穩壓器，但是其效率卻比后者高得多。在許多敏感應用中已經(jīng)證明只要開(kāi)關(guān)電源按照可預測的方式運作，則噪聲和EMI水平是可以控制的。如果開(kāi)關(guān)穩壓器在正常模式中以一個(gè)恒定的頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，且開(kāi)關(guān)脈沖邊緣干凈并可預測(沒(méi)有過(guò)沖或高頻振鈴)，則EMI將得到最大限度的抑制。采用小尺寸封裝和高工作頻

率能夠實(shí)現小巧緊密的布局，這可以最大限度地減少EMI輻射。另外，如果穩壓器能夠與低ESR陶瓷電容器一道使用，則可最大限度地減小輸入和輸出紋波(它們是系統中的額外噪聲源)。
 
        顯然，此類(lèi)開(kāi)關(guān)穩壓器的設計和開(kāi)發(fā)并不簡(jiǎn)單。不過(guò)，在過(guò)去的幾年中，凌特公司(Linear Technology)一直致力于這種高壓DC/DC轉換器的工作，并且擁有了一個(gè)專(zhuān)為滿(mǎn)足這些要求而設計以及型款日漸增多的產(chǎn)品庫(表1)。
 
        LT3434便是近期推出的此類(lèi)DC/DC轉換器一個(gè)實(shí)例，它隸屬于一個(gè)不斷壯大和能夠處理60V電壓的單片降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器系列。該器件可解決上述汽車(chē)導航應用所需面對的諸多問(wèn)題。LT3434可在3.3V至60V的寬輸入電壓范圍內工作(圖2)。它可在高達2.5A的負載電流條件下提供高效率�；鶞示�度在所有的電壓、負載和溫度條件下均為 ±2%。
 
        由于該器件具有突發(fā)模式(BurstMode)操作功能，因此對于12V至3.3V應用其靜態(tài)電流小于100μA。該器件采用具有非常低熱阻的小外形扁平TSSOP封裝，以實(shí)現小占位面積設計。最后，它采用了一種旨在實(shí)現上佳瞬態(tài)響應和簡(jiǎn)易補償的電流模式拓撲結構，并且運用了用于在所有占空比條件下維持恒定峰值開(kāi)關(guān)電流的專(zhuān)利電路。開(kāi)關(guān)頻率為恒定的200kHz，而且可將器件同步至一個(gè)更高的頻率。它可在汽車(chē)溫度范圍內提供嚴格的電壓調節，并具有電源良好(Power Good)/復位、軟起動(dòng)和UVLO(欠壓閉鎖)功能。在高達2.5A的電流電平條件下，該電路提供了一種堅固、高效、小占位面積的解決方案。
 
 本文小結
 
        盡管汽車(chē)導航系統的設計很復雜，而且還要求其模擬DC/DC轉換器提供高性能，但是您無(wú)需為此感到驚慌。諸如凌特公司正在推出一個(gè)“新浪潮”穩壓器，它們組合了許多關(guān)鍵功能，對于系統工程師而言，這些功能是減低電源設計工作量和苛刻程度所必需的。