- 汽車內(nèi)部電子系統(tǒng)的功耗問題
- 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
一個(gè)顯著的增長(zhǎng)體現(xiàn)在DVD/HDD導(dǎo)航系統(tǒng)上。第一部DVD/HDD導(dǎo)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(yù)計(jì)將超過1,300萬(wàn)臺(tái)。對(duì)于任何類型的電子產(chǎn)品而言,汽車的環(huán)境仍然是非常苛刻的。要求較大的工作電壓范圍,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(duì)電子系統(tǒng)提出了巨大的挑戰(zhàn)。此外,對(duì)電子系統(tǒng)性能的要求也越來(lái)越高,而且,還需要能夠?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)的各個(gè)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(dǎo)航系統(tǒng)作為汽車?yán)锏囊粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。然而,要在這樣的系統(tǒng)里設(shè)計(jì)一個(gè)能夠滿足所有不同電壓要求的電源,其復(fù)雜程度和設(shè)計(jì)一個(gè)筆記本電腦的電源不相上下。一個(gè)典型的導(dǎo)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(lái)給DVD馬達(dá)供電的,它用于帶動(dòng)光盤旋轉(zhuǎn),在通常情況下,需要高達(dá)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(shí),元器件的數(shù)量卻在不斷地增加,而可用的空間卻越來(lái)越小。由于實(shí)際需要發(fā)散的熱量太大了,很難把熱量散發(fā)出去。因?yàn)榭臻g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(lái)越重要。當(dāng)輸出電壓很低而電流適中(約在幾百毫安培以上)時(shí),就無(wú)法簡(jiǎn)單地用一個(gè)線性穩(wěn)壓器來(lái)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?yàn)樵跓崃糠矫娴南拗疲_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(fù)雜性和電磁干擾的問題。
對(duì)于計(jì)劃在汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中使用的開關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)說(shuō),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(diǎn):
●輸入工作電壓范圍寬;
●在整個(gè)較寬的負(fù)載范圍內(nèi)的效率高;
●在正常的工作模式、待機(jī)模式和關(guān)機(jī)模式下,靜態(tài)電流都必須很低;
●熱阻?。?br /> ●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(dòng)”和“大負(fù)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(yùn)行,也可以在42V的電壓下運(yùn)行。此外,使用60V的額定電壓的另一個(gè)好處是這樣能夠給14V系統(tǒng)留出一個(gè)空間,從而可以把電壓控制在36V到40V這個(gè)范圍內(nèi)。再者,有了這個(gè)60V的額定電壓,這個(gè)設(shè)備將來(lái)也就可以用于新的42V系統(tǒng)。也就是說(shuō),一個(gè)14V系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以很容易地升級(jí)到42V系統(tǒng),不必重新做很多設(shè)計(jì)。
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效率。對(duì)于大多數(shù)汽車系統(tǒng)而言,在一個(gè)較寬的負(fù)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(duì)于輸出電壓為5V、負(fù)載在10mA到2.5A之間的應(yīng)用來(lái)說(shuō),功率轉(zhuǎn)換效率預(yù)計(jì)為85%。當(dāng)電流很大時(shí),內(nèi)部開關(guān)必須完全飽和,在一般情況下,在電流為3A時(shí),功耗為0.1W。為了提高輕載效率,可以降低驅(qū)動(dòng)電流,或者讓驅(qū)動(dòng)電流與負(fù)載電流成比例。此外,還可以通過一個(gè)偏置引腳給內(nèi)部控制電路供電,這個(gè)引腳可以用輸出電壓來(lái)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(diǎn)。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(duì)輸入電流源的要求。例如,當(dāng)輸出電壓為3.3V,輸出電流為100礎(chǔ),這時(shí)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(shí)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(dòng)的時(shí)候也需要源源不斷地供給電力。對(duì)于這些產(chǎn)品來(lái)說(shuō),一個(gè)重要的指標(biāo)是靜態(tài)電流要小。如果輸出電流不低于100mA,那么,這個(gè)設(shè)備就一直在正常的開關(guān)模式下運(yùn)作。當(dāng)電流低于100mA時(shí),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(gè)脈沖之間穩(wěn)壓器可以進(jìn)入深度休眠模式,在這個(gè)模式下,只對(duì)內(nèi)部的一部分電路供電。在負(fù)載電流很小時(shí),開關(guān)穩(wěn)壓器要自動(dòng)地切換到猝發(fā)模式。在這個(gè)模式下,12V至3.3V的轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)電流會(huì)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(jī)狀態(tài)下,靜態(tài)電流應(yīng)低于1礎(chǔ)。
熱阻小。在理想狀態(tài)下,半導(dǎo)體結(jié)到外殼的熱阻應(yīng)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(gè)印刷電路板把這個(gè)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(duì)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(dǎo)熱性能很好,熱阻接近半導(dǎo)體結(jié)至外殼的熱阻,通常是10℃/W,從而擴(kuò)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(yù)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(shí)上升沿和下降沿也很干凈并且可以預(yù)測(cè),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(gè)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(gè)噪聲源。
顯然,設(shè)計(jì)和開發(fā)這類開關(guān)穩(wěn)壓器并不是件簡(jiǎn)單的事情。然而,最新的一個(gè)高壓直流-直流轉(zhuǎn)換器的例子是電壓可以達(dá)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(dāng)負(fù)載電流高達(dá)2.5A時(shí),效率很高。在所有的輸入電壓、負(fù)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(gè)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(shè)計(jì)。最后,它使用了電流模式電路,具有良好的瞬態(tài)響應(yīng),容易補(bǔ)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(shí)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(gè)產(chǎn)品可以同更高的頻率同步。在整個(gè)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(hào)/復(fù)位、軟啟動(dòng)和UVLO功能。這個(gè)電路是一個(gè)可靠的、高效率的降壓轉(zhuǎn)換器解決辦法,電流高達(dá)2.5A,尺寸很小,適合汽車使用。
盡管汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常復(fù)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(dān)心。供應(yīng)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(shè)計(jì)工作中解放出來(lái)。