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在汽車電子系統(tǒng)中如何選擇多通道同步降壓轉(zhuǎn)換器?

發(fā)布時(shí)間:2016-10-14 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】為了提高行車安全性、舒適度、效率和性能,汽車中的電子系統(tǒng)密度一直在不斷提高,因此汽車需要尺寸更小和性能更高的電源轉(zhuǎn)換解決方案就不足為奇了。這類新型多通道電源管理解決方案需要提供多達(dá)4個(gè)獨(dú)立的電源軌,其中3個(gè)通常用來(lái)給微處理器所需的 VCORE、VI/O和VMEM供電,第四個(gè)5V軌一般用來(lái)給CAN收發(fā)器供電。
 
按照 Strategy Analytics 公司的研究結(jié)果:“未來(lái) 7 年,對(duì)可行半導(dǎo)體器件的需求預(yù)計(jì)將以 5% 的平均年復(fù)合增長(zhǎng)率 (CAGR) 增長(zhǎng),到 2021 年總體市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò) 410 億美元,而 2014 年市場(chǎng)規(guī)模為 300 億美元。”該公司還預(yù)測(cè),對(duì)微控制器和電源半導(dǎo)體的需求將產(chǎn)生超過(guò) 40% 的收入。
 
Strategy Analytics 針對(duì)汽車中電子系統(tǒng)的增長(zhǎng)預(yù)測(cè)提供了量化描述,但是更令人感興趣的是,電源 IC 在這種增長(zhǎng)中發(fā)揮了無(wú)處不在的作用。這些新型電源 IC 必須:
 
  1. 用單一電源管理 IC 提供多個(gè)電壓軌
  2. 跨多種電壓范圍提供可靠的性能,包括從4V 的冷車發(fā)動(dòng)和停-啟情況到超過(guò) 36V 的拋載瞬態(tài)
  3. 提供從 5V 直至低于 1V 的輸出范圍
  4. 具備超低電磁干擾 (EMI) 輻射
  5. 提供盡可能的最高效率以最大限度減輕過(guò)熱問(wèn)題,并優(yōu)化電池運(yùn)行時(shí)間
  6. 超低靜態(tài)電流 (每個(gè)通道小于 10µA) 可使安全、環(huán)境控制和信息娛樂(lè)系統(tǒng)等始終保持導(dǎo)通的系統(tǒng)在汽車引擎 (交流發(fā)電機(jī)) 不運(yùn)行的情況下保持工作狀態(tài),并不會(huì)耗盡汽車電池的電量
  7. 提供占板面積最小的解決方案,且常常需要提供多個(gè)電壓軌,以最大限度減少電源轉(zhuǎn)換電路所需空間
  8. 提供 2MHz 或更高的開(kāi)關(guān)頻率,以保持開(kāi)關(guān)噪聲在 AM無(wú)線電頻段以外,并保持很小的解決方案占板面積
 
汽車中的電子系統(tǒng)日益增多、越來(lái)越復(fù)雜,提高電源 IC 性能的目的是允許設(shè)計(jì)適應(yīng)這種狀況的電子系統(tǒng)。促進(jìn)汽車中電子系統(tǒng)增長(zhǎng)的具體應(yīng)用在汽車中到處都是。例如,新型行車安全系統(tǒng)包括車道監(jiān)視、自適應(yīng)行車安全控制、自動(dòng)轉(zhuǎn)向和前燈調(diào)光等。信息娛樂(lè)系統(tǒng) (車載多媒體系統(tǒng)) 不斷演變,在一個(gè)已經(jīng)很擁擠的空間中不斷塞入更多功能,但是現(xiàn)在還必須支持日益增加的云應(yīng)用。采用了停/啟系統(tǒng)的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)以電子方式控制變速器和發(fā)動(dòng)機(jī)。動(dòng)力傳動(dòng)和底盤(pán)管理系統(tǒng)旨在同時(shí)提高性能、行車安全和舒適性。幾年前,還僅能在“高端”豪華型汽車中見(jiàn)到這些系統(tǒng),但是現(xiàn)在這些系統(tǒng)在每一家制造商的汽車中都屬于常見(jiàn)配置了,這進(jìn)一步加速了汽車電源 IC 市場(chǎng)的增長(zhǎng)。
 
更小的電源轉(zhuǎn)換電路
 
有幾種方法可使電源轉(zhuǎn)換電路更小。一般而言,電路中最大的組件不是電源 IC,而是外部電感器和電容器。通過(guò)將電源 IC 的開(kāi)關(guān)頻率從 400kHz 提高到 2MHz,這類外部組件的尺寸可以極大減小。不過(guò),要有效實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),電源 IC 必須能夠在這類較高的頻率上具備高效率,這在以前是不可行的。然而,通過(guò)采用最新工藝和設(shè)計(jì)方法,已經(jīng)開(kāi)發(fā)出同步電源 IC,這類 IC 以 2MHz 切換時(shí)效率超過(guò) 90%。高效率工作最大限度降低了功耗,從而無(wú)需散熱器。高效率工作還有一個(gè)附加的好處,即保持開(kāi)關(guān)噪聲位于 AM 頻段以外,這對(duì)很多噪聲敏感型電子系統(tǒng)而言是至關(guān)重要的。
 
另一種顯著減小電源轉(zhuǎn)換電路的方法是,當(dāng)需要幾個(gè)單獨(dú)的輸出電壓軌時(shí),用多輸出轉(zhuǎn)換器代替多個(gè)單獨(dú)的器件。例如,當(dāng)給一個(gè)微處理器供電時(shí),大多數(shù)設(shè)計(jì)都需要 3 個(gè)獨(dú)立的輸出,以給微處理器所需的 VCORE、VI/O 和 VMEM 供電,還需要第四個(gè) 5V 軌給 CAN 收發(fā)器供電,該收發(fā)器使微處理器能夠與系統(tǒng)中其余電子組件通信。恰當(dāng)設(shè)計(jì)的 4 輸出轉(zhuǎn)換器 IC 比相應(yīng)的單輸出轉(zhuǎn)換器大得不是很多,而其解決方案占板面積卻可能比 4 個(gè)單獨(dú)的單輸出轉(zhuǎn)換器小一半以上,當(dāng)比較采用 2MHz 開(kāi)關(guān)頻率的 4 輸出穩(wěn)壓器和以 500kHz 運(yùn)行的 4 個(gè)單輸出穩(wěn)壓器時(shí),尺寸的減小尤其有吸引力。此外,4 輸出轉(zhuǎn)換器用來(lái)最大限度減小不希望出現(xiàn)的通道間串?dāng)_,而 4 個(gè)相鄰單輸出轉(zhuǎn)換器之間的串?dāng)_可能很成問(wèn)題,除非這些轉(zhuǎn)換器全部同步到一個(gè)公共時(shí)鐘。增加外部時(shí)鐘和同步會(huì)同時(shí)增大尺寸、復(fù)雜性以及電路成本。
 
工作時(shí)具很低的 EMI
 
因?yàn)槠囯姎猸h(huán)境有固有噪聲,很多應(yīng)用易于受到電磁干擾 (EMI) 影響,所以極需關(guān)注的是,開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器不能加重這類 EMI 問(wèn)題。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器一般是輸入電源總線上第一個(gè)有源器件,所以不論下游轉(zhuǎn)換器好壞,開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器都會(huì)顯著影響轉(zhuǎn)換器的總體 EMI 性能。因此,最大限度降低 EMI 迫在眉睫。過(guò)去所采取的解決是采用 EMI 屏蔽罩,但是這種方法顯著增大了成本和解決方案占板面積,同時(shí)使熱量管理、測(cè)試和制造更加復(fù)雜。另一種潛在的電源管理 IC 解決方案是降低內(nèi)部 MOSFET 開(kāi)關(guān)邊沿的變化速度。然而,這種方法產(chǎn)生了不想要的影響,即降低了效率,延長(zhǎng)了最短接通時(shí)間,損害了 IC 以等于或高于 2MHz 開(kāi)關(guān)頻率提供低占空比的能力。由于人們希望同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率和較小的解決方案占板面積,所以這不是一種可行的解決方案。幸運(yùn)的是,一些不久前推出的電源 IC 設(shè)計(jì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了快速開(kāi)關(guān)頻率、高效率工作和較短的最短接通時(shí)間。這些設(shè)計(jì)可以提供低 EMI 輻射,甚至具 2MHz 開(kāi)關(guān)頻率和效率超過(guò) 90%。這些 IC 設(shè)計(jì)也無(wú)需使用額外的組件或屏蔽,就可實(shí)現(xiàn)如此高的性能水平,因此成為開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重大突破。
 
一種新的 IC 選擇
 
凌力爾特的 LT8602 是一款 42V 輸入、高效率、4 輸出單片同步降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。其 3V 至 42V 輸入電壓范圍使該器件非常適合汽車應(yīng)用,這些應(yīng)用必須穩(wěn)定地通過(guò)最低輸入電壓低至 3V 的冷車發(fā)動(dòng)和停-啟情況以及超過(guò) 40V 的拋載瞬態(tài)。正如我們?cè)趫D 1 中所能看到的那樣,其 4 通道設(shè)計(jì)提供 4 個(gè)獨(dú)立輸出,高壓 2.5A 和 1.5A 通道以及兩個(gè)較低電壓的 1.8A 通道,可提供低至 0.8V 的電壓,從而使該器件能夠驅(qū)動(dòng)現(xiàn)有之電壓最低的微處理器內(nèi)核。其同步整流拓?fù)渚邆涓哌_(dá) 94% 的效率,而突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作在無(wú)負(fù)載備用情況下保持靜態(tài)電流低于 30µA (所有通道均接通),從而使該器件非常適合始終保持接通的系統(tǒng)。
 
在汽車電子系統(tǒng)中如何選擇多通道同步降壓轉(zhuǎn)換器?
圖 1:LT8602 原理圖,提供 5V、3.3V、1.8V 和 1.2V 輸出
 
就噪聲敏感型應(yīng)用而言,LT8602 加上一個(gè)小型外部濾波器,就可以運(yùn)用其脈沖跳躍模式最大限度降低開(kāi)關(guān)噪聲,且可滿足 CISPR25 Class 5 EMI 要求,如圖 2 所示。
 
在汽車電子系統(tǒng)中如何選擇多通道同步降壓轉(zhuǎn)換器?
圖 2:LT8602 EMI 輻射性能 (具 Class 5 峰值限制的 CISPR25 輻射測(cè)試)
 
Vertical Polarization:垂直極化
 
Amplitude:幅度
 
Frequency:頻率
 
CISPR25 Class 5 Pk Limit:CISPR25 Class 5 峰值限制
 
LT8602 的開(kāi)關(guān)頻率可在 250kHz 至 2MHz 范圍內(nèi)設(shè)定,并可在此范圍內(nèi)同步。其 60ns 最短接通時(shí)間在 2MHz 開(kāi)關(guān)頻率的高壓通道實(shí)現(xiàn) 16VIN 至 2.0VOUT 降壓轉(zhuǎn)換。當(dāng)高壓 VOUT2 通道為兩個(gè)低壓通道 (VOUT3 和 VOUT4) 饋電時(shí),這些低壓通道可提供低至 0.8V 輸出,同時(shí)以 2MHz 切換,從而可提供非常緊湊 (約 25mm x 25mm) 的 4 輸出解決方案,如圖 3 所示。
 
在汽車電子系統(tǒng)中如何選擇多通道同步降壓轉(zhuǎn)換器?
圖 3:LT8602 四輸出解決方案占板面積 (2x實(shí)際尺寸)
 
除了最大限度減小解決方案尺寸,LT8602 的 2MHz 開(kāi)關(guān)頻率還使設(shè)計(jì)師能夠避開(kāi)關(guān)鍵噪聲敏感頻段 (例如 AM 無(wú)線電頻段)。LT8602 的每個(gè)通道在所有條件下都保持僅為 200mV (在 1A) 最低壓差電壓,從而使該器件能夠在諸如汽車?yán)滠嚢l(fā)動(dòng)等情況下表現(xiàn)出色。每個(gè)通道的可編程加電復(fù)位和電源良好指示器有助于確??傮w系統(tǒng)可靠性。LT8602 的 40 引線耐熱性能增強(qiáng)型 6mm x 6mm QFN 封裝和高開(kāi)關(guān)頻率允許使用很小的外部電感器和電容器,從而可構(gòu)成占板面積緊湊的高熱效率解決方案。
 
LT8602 采用 4 個(gè)內(nèi)部高效率上管和下管,所有必要的升壓二極管、振蕩器、控制和邏輯電路都集成到單一芯片中。通道 1 和 3 與通道 2 和 4 以 180 度反相切換,降低了輸出紋波。每通道都有一個(gè)單獨(dú)的輸入以提高設(shè)計(jì)靈活性,但是大多數(shù)應(yīng)用會(huì)直接用兩個(gè)高壓通道運(yùn)行兩個(gè)低壓通道,以構(gòu)成非常簡(jiǎn)單的高頻四輸出設(shè)計(jì)。低紋波突發(fā)模式工作模式在低輸出電流時(shí)保持高效率,同時(shí)保持輸出紋波低于 15mVPK-PK。獨(dú)特的設(shè)計(jì)方法和新的高速工藝使得在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高效率,而且 LT8602 的電流模式拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了快速瞬態(tài)響應(yīng)和卓越的環(huán)路穩(wěn)定性。其他特點(diǎn)包括內(nèi)部補(bǔ)償、電源良好標(biāo)記、輸出軟啟動(dòng) / 跟蹤以及短路和過(guò)熱保護(hù)。
 
結(jié)論
 
汽車中電子系統(tǒng)的數(shù)量和復(fù)雜性都在迅速增加,因此必須對(duì)電源管理 IC 性能提出更高的要求。通過(guò)使用 4 輸出電源 IC,汽車設(shè)計(jì)師可以極大地減小電源轉(zhuǎn)換電路所需空間。由于開(kāi)關(guān)頻率為 2MHz,所以外部組件的尺寸 (即電感器和輸出電容器的尺寸) 也可以極大地減小,從而可構(gòu)成占板面積非常緊湊的 4 軌解決方案。這類緊湊型設(shè)計(jì)也非常堅(jiān)固,能承受在停-啟、冷車發(fā)動(dòng)和拋載時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)情況,同時(shí)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)所有輸出。此外,超低靜態(tài)電流使這些設(shè)計(jì)非常適合始終保持接通系統(tǒng)。隨著更多的電子系統(tǒng)添加到日益縮小的空間中,最大限度減小解決方案占板面積同時(shí)盡量提高效率變得至關(guān)重要。幸運(yùn)的是,滿足這些要求的新一代多輸出電源 IC 已經(jīng)上市,從而為將來(lái)在汽車中增加更多電子系統(tǒng)作好了準(zhǔn)備。
 
 
 
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