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汽車內(nèi)部電子系統(tǒng)的功耗問題

發(fā)布時間:2010-03-30

中心議題:
  • 汽車內(nèi)部電子系統(tǒng)的功耗問題
解決方案:
  • 提高元器件的轉(zhuǎn)換效率
  • 使用開關(guān)開關(guān)穩(wěn)壓器取代線性穩(wěn)壓器
  • 高性能的模擬直流-直流轉(zhuǎn)換器
現(xiàn)在,汽車制造商正不斷地把越來越復雜的電子系統(tǒng)整合到汽車里。AlliedBusinessIntelligence公司預測,汽車半導體市場的年銷售額將從去年的123億美元上升到2007年的170億美元。另一家公司的戰(zhàn)略分析員也提出同樣的觀點:對于現(xiàn)在一部普通的汽車來說,電子系統(tǒng)的成本將占整部汽車的20%以上,但是,到2008年,這個比重將提高到30%。典型的車載電子系統(tǒng)包括:防撞擊雷達、自適應巡航控制、輪胎氣壓監(jiān)測、導航系統(tǒng)、免提式蜂窩電話和其他的無線連接,以及利用生物特征參數(shù)的接入。
  
一個顯著的增長體現(xiàn)在DVD/HDD導航系統(tǒng)上。第一部DVD/HDD導航系統(tǒng)是在1997年問世的,今年這類系統(tǒng)在全球的銷量預計將超過1,300萬臺。對于任何類型的電子產(chǎn)品而言,汽車的環(huán)境仍然是非??量痰摹R筝^大的工作電壓范圍,加上很高的瞬變電壓,溫度變化范圍很大,這些問題合在一起,對電子系統(tǒng)提出了巨大的挑戰(zhàn)。此外,對電子系統(tǒng)性能的要求也越來越高,而且,還需要能夠為系統(tǒng)內(nèi)的各個不同部件提供不同的電壓。
  
現(xiàn)在所生產(chǎn)的大多數(shù)汽車中、高檔汽車都把DVD全球定位導航系統(tǒng)作為汽車里的一個標準設備。然而,要在這樣的系統(tǒng)里設計一個能夠滿足所有不同電壓要求的電源,其復雜程度和設計一個筆記本電腦的電源不相上下。一個典型的導航系統(tǒng)至少需要六種電壓:8V、5V、3.3V、2.5V、1.5V和1.2V。8V電壓是用來給DVD馬達供電的,它用于帶動光盤旋轉(zhuǎn),在通常情況下,需要高達2A的峰值電流。5V和3.3V電壓一般是供給系統(tǒng)總線的,它們都需要2A至3A的電流。1.5V和1.2V電壓分別是CPU內(nèi)核和DSP內(nèi)核的供電電壓,這兩路電壓的功率一般在3W到5W之間。
  
同時,元器件的數(shù)量卻在不斷地增加,而可用的空間卻越來越小。由于實際需要發(fā)散的熱量太大了,很難把熱量散發(fā)出去。因為空間受到限制,而且要求工作溫度在一定范圍內(nèi),所以,轉(zhuǎn)換效率也就變得越來越重要。當輸出電壓很低而電流適中(約在幾百毫安培以上)時,就無法簡單地用一個線性穩(wěn)壓器來產(chǎn)生這些系統(tǒng)所需要的電壓。于是,在過去的幾年里,主要是因為在熱量方面的限制,開關(guān)穩(wěn)壓器正漸漸地取代了線性穩(wěn)壓器。開關(guān)穩(wěn)壓器的好處是:效率較高,尺寸較小,這些好處超過了它的復雜性和電磁干擾的問題。
  
對于計劃在汽車導航系統(tǒng)中使用的開關(guān)穩(wěn)壓器來說,由于考慮到存在上述這些限制,那么,它就必須具備以下這些功能和特點:
●輸入工作電壓范圍寬;
●在整個較寬的負載范圍內(nèi)的效率高;
●在正常的工作模式、待機模式和關(guān)機模式下,靜態(tài)電流都必須很低;
●熱阻??;
●噪聲和電磁干擾都很小。
  
輸入電壓工作范圍寬。任何開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入電壓范圍都必須在3V至60V之間,只有這樣,才能滿足“冷啟動”和“大負載”的要求。它還具有別的好處,即汽車系統(tǒng)既可以在14V的電壓下運行,也可以在42V的電壓下運行。此外,使用60V的額定電壓的另一個好處是這樣能夠給14V系統(tǒng)留出一個空間,從而可以把電壓控制在36V到40V這個范圍內(nèi)。再者,有了這個60V的額定電壓,這個設備將來也就可以用于新的42V系統(tǒng)。也就是說,一個14V系統(tǒng)的設計可以很容易地升級到42V系統(tǒng),不必重新做很多設計。
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效率。對于大多數(shù)汽車系統(tǒng)而言,在一個較寬的負載范圍內(nèi)保持較高的功率轉(zhuǎn)換效率是很重要的。例如,對于輸出電壓為5V、負載在10mA到2.5A之間的應用來說,功率轉(zhuǎn)換效率預計為85%。當電流很大時,內(nèi)部開關(guān)必須完全飽和,在一般情況下,在電流為3A時,功耗為0.1W。為了提高輕載效率,可以降低驅(qū)動電流,或者讓驅(qū)動電流與負載電流成比例。此外,還可以通過一個偏置引腳給內(nèi)部控制電路供電,這個引腳可以用輸出電壓來供電。這利用了降壓轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點。偏置電流是由輸出而不是由輸入得到的,因此控制電路從供電電源吸收的電流就減少了,減少的倍數(shù)是輸入電壓與輸出電壓的比值。對輸入電流源的要求。例如,當輸出電壓為3.3V,輸出電流為100礎(chǔ),這時需要從12V電壓提供的平均輸入電流是30礎(chǔ)。這樣減少了控制電路所需要的電流,從而提高了輕載時的效率。
  
靜態(tài)電流小。汽車系統(tǒng)里的許多產(chǎn)品即使在汽車停止不動的時候也需要源源不斷地供給電力。對于這些產(chǎn)品來說,一個重要的指標是靜態(tài)電流要小。如果輸出電流不低于100mA,那么,這個設備就一直在正常的開關(guān)模式下運作。當電流低于100mA時,開關(guān)穩(wěn)壓器必須跳過一些脈沖,維持穩(wěn)壓作用。在兩個脈沖之間穩(wěn)壓器可以進入深度休眠模式,在這個模式下,只對內(nèi)部的一部分電路供電。在負載電流很小時,開關(guān)穩(wěn)壓器要自動地切換到猝發(fā)模式。在這個模式下,12V至3.3V的轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)電流會下降到100礎(chǔ)以下。在休眠模式下,內(nèi)部參考電壓和電源正常指示電路仍然工作,以監(jiān)視輸出電壓。在關(guān)機狀態(tài)下,靜態(tài)電流應低于1礎(chǔ)。
  
熱阻小。在理想狀態(tài)下,半導體結(jié)到外殼的熱阻應該很小。如果器件背面的銅是裸露的,而且是焊接在印刷電路板的表面,那么,就可以通過這個印刷電路板把這個器件上的熱量散發(fā)出去。如今經(jīng)常使用的四層電路板,中間有一層是功率層,它的熱阻在40℃/W的范圍內(nèi)。對于在周圍溫度較高的環(huán)境中使用的產(chǎn)品,它們熱量傳給金屬外殼的導熱性能很好,熱阻接近半導體結(jié)至外殼的熱阻,通常是10℃/W,從而擴大了有效工作溫度的范圍。
  
噪聲和電磁干擾問題

開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪音比線性穩(wěn)壓器的大,但是,它們的效率高很多。在許多容易受噪音影響的產(chǎn)品中,只要開關(guān)電源的性能是可以預先知道的,那么,噪聲和電磁干擾的大小是可以控制的。如果開關(guān)穩(wěn)壓器在正常模式下開關(guān)頻率是固定的,在開和關(guān)時上升沿和下降沿也很干凈并且可以預測,不存在過沖或者高頻衰減振蕩,因而降低電磁干擾。它的封裝尺寸小,工作頻率高,可以把電路布置得很緊湊,很小,從而降低了電磁干擾輻射。此外,如果這個穩(wěn)壓器可以使用等效串聯(lián)電阻很小的陶瓷電容器,那么,就能夠降低輸入電壓紋波和輸出電壓紋波,這是系統(tǒng)里的另一個噪聲源。
  
顯然,設計和開發(fā)這類開關(guān)穩(wěn)壓器并不是件簡單的事情。然而,最新的一個高壓直流-直流轉(zhuǎn)換器的例子是電壓可以達到60V的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器單片集成電路。它的輸入電壓范圍為3.3V至60V(圖1),當負載電流高達2.5A時,效率很高。在所有的輸入電壓、負載和溫度條件下,參考電壓的精度為±2%。

在猝發(fā)模式下,它的靜態(tài)電流低于100礎(chǔ),適合輸入電壓為12V至3.3V的產(chǎn)品。這個器件采用厚度很薄的TSSOP封裝,熱阻非常小,適合尺寸很小的設計。最后,它使用了電流模式電路,具有良好的瞬態(tài)響應,容易補償,并且使用一種擁有專利權(quán)的電路,在占空比為任何數(shù)值時保持開關(guān)中的峰值電流恒定。它的開關(guān)頻率是固定的200kHz,此外,這個產(chǎn)品可以同更高的頻率同步。在整個汽車的溫度范圍內(nèi),它的穩(wěn)壓性能很好,并且提供電源正常信號/復位、軟啟動和UVLO功能。這個電路是一個可靠的、高效率的降壓轉(zhuǎn)換器解決辦法,電流高達2.5A,尺寸很小,適合汽車使用。
  
盡管汽車導航系統(tǒng)的設計非常復雜,而且需要高性能的模擬直流-直流轉(zhuǎn)換器,但是,不必為此而擔心。供應商正在推出一種“新一波”穩(wěn)壓器浪潮,它結(jié)合了大量必不可少的功能,把系統(tǒng)工程師從繁重的電源設計工作中解放出來。
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