汽车导航系统的DC/DC转换器选择指南
日期：2008-11-1 23:19:04 来源：中国自动化网
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汽车环境的宽工作电压要求、大瞬变电压以及大温度漂移等因素共同作用下，电子系统面临着严酷的条件，本文介绍如何在性能要求变得愈加苛刻的条件下，设计多个电源电压以满足汽车电子系统不同部分的要求。
目前生产的大多数中高档汽车都配置了基于DVD的GPS导航系统作为标准设备(图1)。然而可以证实，如果想设计一个用于控制此类系统内不同电压轨的电源，其复杂程度丝毫不亚于设计笔记本电脑用的电源系统。一个标准的汽车导航系统有可能具有6个或更多的电源，包括8V、5V、3.3V、2.5V、1.5V和1.2V。8V电源用于给使光盘旋转的DVD电机供电；这常常需要高达2A的峰值电流。5V和3.3V电源轨通常为系统总线，一般要求各提供2A～3A的电流。2.5V电源轨用于存储器和I/O，因此输送1A～2A的电流便足够了。1.5V和1.2V电源轨分别用于提供CPU内核和DSP内核电压。这两个电源轨的功率电平一般均在3W～5W之间。
同时，随着这些系统中组件数目的增加，可用空间日渐狭小。因此，鉴于所有的实际散热器都很庞大以致于安装不便，出于对空间限制以及工作温度范围要求的考虑，转换效率的重要性变得更加突出。在低输出电压以及高于几百毫安的中等电流电平条件下，简单地采用一个线性稳压器来生成这些系统电压已不再可行。因此，在过去的几年里，主要由于散热方面的限制，开关稳压器一直在逐步取代线性稳压器。开关电源的优点包括较高的效率和较小的占位面积，这使得复杂度的增加以及EMI问题变得不那么重要。
如果考虑汽车导航系统中的开关稳压器限制条件，则其将需要拥有下列特点和特性：
宽输入工作范围
在一个宽负载范围内具有良好的效率
在正常操作、待机和停机状态下具有低静态电流
低热阻
最低的噪声和EMI辐射
让我们较详细地研究一下这些基本能力：
1. 宽输入工作范围
任何开关稳压器都需要被规定在一个3V～60V的宽输入电压范围内工作，以确保可满足"冷车发动" 和"负载突降" 的条件。它还具有使这些汽车系统能够在14V或42V电压条件下运行的额外优点。而且，60V的额定电压还为通常被箝位于36V～40V的14V系统提供了一个良好的裕度。另外，60V的额定电压还使得该器件能够应用于未来的42V系统。这就意味着一款现今为14V系统所做的设计可以针对42V系统的要求轻而易举地升级，而无需进行任何重大的重新设计工作。
2. 效率
在大多数汽车系统中，在一个宽负载范围内实现高效功率转换是必不可少的。例如，在10mA 至2.5A的负载范围内，一个5V输出的功率转换效率被要求达到85% 左右。在高电流条件下，内部开关需要具有良好的饱和，通常在3A电流时为0.1Ω。为了改善轻负载效率，需减小驱动电流或使其与负载电流成比例。而且，用于内部控制电路的功率可以通过一个偏置引脚来提供，该偏置引脚可由输出来供电。这得益于一个降压型转换器的功率转换效率。由于该偏置电流吸收自输出(而不是输入)，因而使得控制电路所需的输入电源电流有所减小，降幅为输出与输入电压之比。例如，一个于3.3V时的100μA输出电流只要求于12V时的30μA平均输入电流。这最大限度地减小了控制电路所需的输入电流，并且提高了轻负载时的效率水平。
3. 低静态电流
汽车系统中有许多应用即使是在车辆处于停驶状态下也要求连续供电。这些应用的一个关键要求就是低静态电流。在输出电流降至大约100mA 以下之前，该器件将运行于正常的连续开关模式。在该电流电平以下，开关稳压器必须跳过若干脉冲以便维持稳压状态。该稳压器可在脉冲之间进入睡眠模式，此时仅对部分内部电路供电。在轻负载电流条件下，开关稳压器需要自动切换至突发模式操作。在该模式中，对于一个12V至3.3V转换器，静态电流应降至100μA以下。在睡眠模式中，内部基准和电源良好电路将保持运行状态，以便监视输出电压。在停机模式中，静态电流应低于1μA。
4. 低热阻
理想的情况是，结点至外壳热阻应该很低。如果器件的背部为裸露铜面并被焊接至PC板的表面，则PC板可被用来将热量传导至远离器件的地方。目前常用具有内部电源平面的四层电路板能够实现约40℃/W的热阻。具有至金属外壳良好热传导的高环境温度应用可获得接近10℃/W的典型结点至外壳热阻值。这有助于扩展工作温度范围。
5. 关于噪声和EMI的考虑
虽然开关稳压器产生的噪声多于线性稳压器，但是其效率却比后者高得多。在许多敏感应用中已经证明只要开关电源按照可预测的方式运作，则噪声和EMI水平是可以控制的。如果开关稳压器在正常模式中以一个恒定的频率进行开关操作，且开关脉冲边缘干净并可预测(没有过冲或高频振铃)，则EMI将得到最大限度的抑制。采用小尺寸封装和高工作频率能够实现小巧紧密的布局，这可以最大限度地减少EMI辐射。另外，如果稳压器能够与低ESR陶瓷电容器一道使用，则可最大限度地减小输入和输出纹波(它们是系统中的额外噪声源)。
显然，此类开关稳压器的设计和开发并不简单。不过，在过去的几年中，凌特公司(Linear Technology)一直致力于这种高压DC/DC转换器的工作，并且拥有了一个专为满足这些要求而设计以及型款日渐增多的产品库(表1)。
LT3434便是近期推出的此类DC/DC转换器一个实例，它隶属于一个不断壮大和能够处理60V电压的单片降压型开关稳压器系列。该器件可解决上述汽车导航应用所需面对的诸多问题。LT3434可在3.3V至60V的宽输入电压范围内工作(图2)。它可在高达2.5A的负载电流条件下提供高效率。基准精度在所有的电压、负载和温度条件下均为 ±2%。
由于该器件具有突发模式(BurstMode)操作功能，因此对于12V至3.3V应用其静态电流小于100μA。该器件采用具有非常低热阻的小外形扁平TSSOP封装，以实现小占位面积设计。最后，它采用了一种旨在实现上佳瞬态响应和简易补偿的电流模式拓扑结构，并且运用了用于在所有占空比条件下维持恒定峰值开关电流的专利电路。开关频率为恒定的200kHz，而且可将器件同步至一个更高的频率。它可在汽车温度范围内提供严格的电压调节，并具有电源良好(Power Good)/复位、软起动和UVLO(欠压闭锁)功能。在高达2.5A的电流电平条件下，该电路提供了一种坚固、高效、小占位面积的解决方案。
本文小结
尽管汽车导航系统的设计很复杂，而且还要求其模拟DC/DC转换器提供高性能，但是您无需为此感到惊慌。诸如凌特公司正在推出一个“新浪潮”稳压器，它们组合了许多关键功能，对于系统工程师而言，这些功能是减低电源设计工作量和苛刻程度所必需的。
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目前生产的大多数中高档汽车都配置了基于DVD的GPS导航系统作为标准设备(图1)。然而可以证实，如果想设计一个用于控制此类系统内不同电压轨的电源，其复杂程度丝毫不亚于设计笔记本电脑用的电源系统。一个标准的汽车导航系统有可能具有6个或更多的电源，包括8V、5V、3.3V、2.5V、1.5V和1.2V。8V电源用于给使光盘旋转的DVD电机供电；这常常需要高达2A的峰值电流。5V和3.3V电源轨通常为系统总线，一般要求各提供2A～3A的电流。2.5V电源轨用于存储器和I/O，因此输送1A～2A的电流便足够了。1.5V和1.2V电源轨分别用于提供CPU内核和DSP内核电压。这两个电源轨的功率电平一般均在3W～5W之间。
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同时，随着这些系统中组件数目的增加，可用空间日渐狭小。因此，鉴于所有的实际散热器都很庞大以致于安装不便，出于对空间限制以及工作温度范围要求的考虑，转换效率的重要性变得更加突出。在低输出电压以及高于几百毫安的中等电流电平条件下，简单地采用一个线性稳压器来生成这些系统电压已不再可行。因此，在过去的几年里，主要由于散热方面的限制，开关稳压器一直在逐步取代线性稳压器。开关电源的优点包括较高的效率和较小的占位面积，这使得复杂度的增加以及EMI问题变得不那么重要。
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宽输入工作范围
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在一个宽负载范围内具有良好的效率
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在正常操作、待机和停机状态下具有低静态电流
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低热阻
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最低的噪声和EMI辐射
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1. 宽输入工作范围
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任何开关稳压器都需要被规定在一个3V～60V的宽输入电压范围内工作，以确保可满足"冷车发动" 和"负载突降" 的条件。它还具有使这些汽车系统能够在14V或42V电压条件下运行的额外优点。而且，60V的额定电压还为通常被箝位于36V～40V的14V系统提供了一个良好的裕度。另外，60V的额定电压还使得该器件能够应用于未来的42V系统。这就意味着一款现今为14V系统所做的设计可以针对42V系统的要求轻而易举地升级，而无需进行任何重大的重新设计工作。
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2. 效率
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在大多数汽车系统中，在一个宽负载范围内实现高效功率转换是必不可少的。例如，在10mA 至2.5A的负载范围内，一个5V输出的功率转换效率被要求达到85% 左右。在高电流条件下，内部开关需要具有良好的饱和，通常在3A电流时为0.1Ω。为了改善轻负载效率，需减小驱动电流或使其与负载电流成比例。而且，用于内部控制电路的功率可以通过一个偏置引脚来提供，该偏置引脚可由输出来供电。这得益于一个降压型转换器的功率转换效率。由于该偏置电流吸收自输出(而不是输入)，因而使得控制电路所需的输入电源电流有所减小，降幅为输出与输入电压之比。例如，一个于3.3V时的100μA输出电流只要求于12V时的30μA平均输入电流。这最大限度地减小了控制电路所需的输入电流，并且提高了轻负载时的效率水平。
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3. 低静态电流
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汽车系统中有许多应用即使是在车辆处于停驶状态下也要求连续供电。这些应用的一个关键要求就是低静态电流。在输出电流降至大约100mA 以下之前，该器件将运行于正常的连续开关模式。在该电流电平以下，开关稳压器必须跳过若干脉冲以便维持稳压状态。该稳压器可在脉冲之间进入睡眠模式，此时仅对部分内部电路供电。在轻负载电流条件下，开关稳压器需要自动切换至突发模式操作。在该模式中，对于一个12V至3.3V转换器，静态电流应降至100μA以下。在睡眠模式中，内部基准和电源良好电路将保持运行状态，以便监视输出电压。在停机模式中，静态电流应低于1μA。
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4. 低热阻
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理想的情况是，结点至外壳热阻应该很低。如果器件的背部为裸露铜面并被焊接至PC板的表面，则PC板可被用来将热量传导至远离器件的地方。目前常用具有内部电源平面的四层电路板能够实现约40℃/W的热阻。具有至金属外壳良好热传导的高环境温度应用可获得接近10℃/W的典型结点至外壳热阻值。这有助于扩展工作温度范围。
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5. 关于噪声和EMI的考虑
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虽然开关稳压器产生的噪声多于线性稳压器，但是其效率却比后者高得多。在许多敏感应用中已经证明只要开关电源按照可预测的方式运作，则噪声和EMI水平是可以控制的。如果开关稳压器在正常模式中以一个恒定的频率进行开关操作，且开关脉冲边缘干净并可预测(没有过冲或高频振铃)，则EMI将得到最大限度的抑制。采用小尺寸封装和高工作频率能够实现小巧紧密的布局，这可以最大限度地减少EMI辐射。另外，如果稳压器能够与低ESR陶瓷电容器一道使用，则可最大限度地减小输入和输出纹波(它们是系统中的额外噪声源)。
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显然，此类开关稳压器的设计和开发并不简单。不过，在过去的几年中，凌特公司(Linear Technology)一直致力于这种高压DC/DC转换器的工作，并且拥有了一个专为满足这些要求而设计以及型款日渐增多的产品库(表1)。
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由于该器件具有突发模式(BurstMode)操作功能，因此对于12V至3.3V应用其静态电流小于100μA。该器件采用具有非常低热阻的小外形扁平TSSOP封装，以实现小占位面积设计。最后，它采用了一种旨在实现上佳瞬态响应和简易补偿的电流模式拓扑结构，并且运用了用于在所有占空比条件下维持恒定峰值开关电流的专利电路。开关频率为恒定的200kHz，而且可将器件同步至一个更高的频率。它可在汽车温度范围内提供严格的电压调节，并具有电源良好(Power Good)/复位、软起动和UVLO(欠压闭锁)功能。在高达2.5A的电流电平条件下，该电路提供了一种坚固、高效、小占位面积的解决方案。
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