開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)不過(guò)，一個(gè)有極大增長(zhǎng)的領(lǐng)域是基于DVD/HDD的導(dǎo)航系統(tǒng)。這類(lèi)系統(tǒng)1997年推出，預(yù)計(jì)20**年銷(xiāo)量將超過(guò)1300萬(wàn)臺(tái)。就任何類(lèi)型的電子產(chǎn)品而言，汽車(chē)應(yīng)用環(huán)境都一直是非常嚴(yán)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(yán)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)中汽車(chē)都將基于DVD的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備提供。然而，設(shè)計(jì)一個(gè)處理這類(lèi)系統(tǒng)中所有不同電壓軌的電源可能像為筆記本PC設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)一樣復(fù)雜。一般的導(dǎo)航系統(tǒng)可能有6個(gè)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(pán)的DVD電動(dòng)機(jī)供電，這通常需要高達(dá)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(chǔ)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(gè)軌的功率通常分別為3W~5W。圖1顯示了具有內(nèi)置導(dǎo)航系統(tǒng)的汽車(chē)內(nèi)部情況。

同時(shí)，隨著這些系統(tǒng)中的組件數(shù)增多，可用空間也越來(lái)越小了。因此，既然任何實(shí)際的散熱系統(tǒng)都太大，無(wú)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(guān)鍵了。在低輸出電壓和甚至高于幾百毫安的中等電流時(shí)，簡(jiǎn)單地用線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生這些系統(tǒng)電壓不再有實(shí)際意義。因此，在過(guò)去幾年中，主要由于熱量限制，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器一直在不斷地取代線性穩(wěn)壓器。開(kāi)關(guān)的好處包括效率提高和占板面積減小，與額外的復(fù)雜性和EMI問(wèn)題相比，還是利大于弊的。

考慮到這些限制因素，一個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器用于汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)，需要具有以下特點(diǎn)：

●寬輸入工作范圍

●在寬負(fù)載范圍內(nèi)的高效率

●在正常工作、備用和停機(jī)時(shí)具有低靜態(tài)電流

●低熱阻

●噪聲和EMI輻射

●負(fù)載突降抗毀性

讓我們來(lái)更詳細(xì)地逐一考慮這些重要特性。

寬輸入工作范圍

任何開(kāi)關(guān)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(mǎn)足“冷車(chē)發(fā)動(dòng)”和“負(fù)載突降”情況的要求。寬輸入電壓范圍還有一個(gè)附加的好處：允許這些汽車(chē)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(chē)系統(tǒng)中，寬負(fù)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(fù)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(shí)，內(nèi)部開(kāi)關(guān)需要有良好的飽和度，一般在3A時(shí)為0.1Ω。為了提高輕負(fù)載時(shí)的效率，要降低驅(qū)動(dòng)電流或者讓驅(qū)動(dòng)電流與負(fù)載電流成正比。內(nèi)部控制電路也可以通過(guò)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(shí)際上，這個(gè)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(gè)在3.3V時(shí)為100mA的輸出電流在12V時(shí)僅需要平均30mA的輸入電流。這限度地降低了控制電路所需的輸入電流，并提高了輕負(fù)載時(shí)的效率。

低靜態(tài)電流

有很多汽車(chē)系統(tǒng)應(yīng)用需要連續(xù)功率，甚至在汽車(chē)停車(chē)后也是這樣。這些應(yīng)用的一個(gè)關(guān)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(yīng)用設(shè)備會(huì)一直以正常的連續(xù)開(kāi)關(guān)模式工作。低于這一電流值以后，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器必須開(kāi)展脈沖跳躍以維持穩(wěn)定電壓。穩(wěn)壓器在脈沖之間可以進(jìn)入休眠模式，在這種模式中，只對(duì)部分內(nèi)部電路供電。在輕負(fù)載電流時(shí)，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器需要自動(dòng)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(yīng)該降至低于100mA。內(nèi)部基準(zhǔn)和電源良好電路在休眠模式時(shí)將保持運(yùn)行以監(jiān)視輸出電壓。靜態(tài)電流在停機(jī)時(shí)應(yīng)該低于1mA。

低熱阻

理想情況下，節(jié)點(diǎn)至外殼的熱阻應(yīng)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(dǎo)出去?，F(xiàn)在常用具有內(nèi)部電源平面的4層電路板可以實(shí)現(xiàn)40℃/W范圍內(nèi)的熱阻。對(duì)金屬外殼熱量有良好傳導(dǎo)作用的高環(huán)境溫度應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)的熱阻接近10℃/W的典型節(jié)點(diǎn)至外殼熱阻。這有助于擴(kuò)大有用的工作溫度范圍。

噪聲與EMI輻射問(wèn)題

盡管開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器比線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生較大噪聲，但是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率卻高得多?，F(xiàn)在已經(jīng)證明，在很多敏感應(yīng)用中，噪聲和EMI是可管理的，只要開(kāi)關(guān)按預(yù)期工作就行。如果一個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在正常工作模式時(shí)以恒定頻率開(kāi)關(guān)，切換邊緣是干凈并可預(yù)測(cè)的，沒(méi)有過(guò)沖或高頻振鈴，那么就可以限度減小EMI。小封裝尺寸和高工作頻率可以實(shí)現(xiàn)小且緊湊的布局，這也限度地減小了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限度地減小，這種紋波是系統(tǒng)中噪聲的附加。

負(fù)載突降時(shí)不被損壞的能力

“負(fù)載突降”指的是在交流發(fā)電機(jī)給電池充電時(shí)電池電纜斷接的情形。圖2顯示了由負(fù)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(dá)60V的瞬態(tài)電壓尖峰，因?yàn)榻涣靼l(fā)電機(jī)試圖給電池完全充電。交流發(fā)電機(jī)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(jī)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(guān)重要的。目前有各種可在外部實(shí)施的“保護(hù)”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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器都能承受高達(dá)60V的瞬態(tài)電壓，同時(shí)在不對(duì)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(chē)電池和交流發(fā)電機(jī)的電壓置換。

●負(fù)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(fù)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(fù)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(chē)子系統(tǒng)對(duì)電源設(shè)計(jì)提出了越來(lái)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(shí)可以滿(mǎn)足上述部分要求，但是它們?cè)诘洼斎腚妷簳r(shí)無(wú)法保持高效率。很多這類(lèi)轉(zhuǎn)換器都有頻率補(bǔ)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(dǎo)致高輸出紋波電壓。

凌特公司近推出的DC/DC轉(zhuǎn)換器LT3434解決了上述汽車(chē)導(dǎo)航應(yīng)用的很多關(guān)鍵問(wèn)題，它屬于一個(gè)不斷擴(kuò)大的60V單片降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器系列。LT3434工作在3.3V~60V的寬輸入電壓范圍，參見(jiàn)圖3。它在負(fù)載電流高達(dá)2.5A時(shí)仍具有高效率。在所有電壓、負(fù)載和溫度條件下，其基準(zhǔn)準(zhǔn)確度均為±2%。

由于具有能以突發(fā)模式（BurstMode）工作的特點(diǎn)，就12V~3.3V應(yīng)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(shè)計(jì)占板面積小的方案。，它采用電流模式拓?fù)湟垣@得良好的瞬態(tài)響應(yīng)和容易實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，以及用獲得的電路在所有占空比條件下保持恒定峰值開(kāi)關(guān)電流。開(kāi)關(guān)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(chē)溫度范圍內(nèi)提供嚴(yán)格穩(wěn)定的電壓，并具有電源良好/