汽车电子技术不断对系统厂商提出新的挑战,汽车电源管理重要性日益凸现。据赛迪顾问保守预计,到2011年,中国汽车电源管理芯片市场将由目前的6.2亿元人民币上升至16.1亿元人民币,年复合增长率达26.9%,其增长远远高于半导体整体市场发展速度。但由于汽车电源系统需要在负载突降、冷车发动、轻负载条件下的极低功耗以及低噪声操作等这些极其严苛的条件下保证正常工作,因此在面临广阔市场前景的同时,电源管理芯片厂商仍需闯过技术难关。凌力尔特公司电源产品部产品市场经理TonyArmstrong指出,由于要求宽工作电压范围、再加上大瞬态电压和宽广的温度变化范围,这些因素共同作用的结果使得电子系统面临着十分恶劣的生存条件。与此同时,随着元件数目的增加,可用空间在不断地缩小。
由于空间限制和温度要求等因素的影响,效率的重要性日益凸显出来。在低输出电压和即使是中等电流水平(几百毫安以上)条件下,简单地采用一个线性稳压器来产生这些系统电压将不再是一种切实可行的方法。因此,在过去的几年中,主要是由于热限制的原因,开关稳压器开始逐步取代线性稳压器。尽管存在着复杂性增加和EMI问题,但采用开关电源所带来的好处(包括效率的提高以及占板面积的减小)却更为人们所看重。
安森美半导体汽车产品部的市场经理PeterLanyon同样认为,电源管理将从大部分采用线性解决方案转变为开关电源与线性方案相结合的方式。在电压调节中,目前主要的趋势是减小静态电流指标,在汽车关闭时需利用该指标限制汽车电池的漏电流。特别是在LDO(低压差线性稳压器)中,静态电流指标从100~150uA下降到30uA的目标值,甚至更低。安森美的NCV8664是业界第一款在宽温度范围内指定的最低静态电流(Iq)性能(典型值22uA)下,组合了反向电池、短电路以及过载保护的线性调节器。
考虑到这些约束条件,宽输入电压工作范围,在宽负载范围内提供良好的效率,在正常操作、待机和停机模式中具有低静态电流、低热阻、极低的噪声和EMI辐射便成为汽车开关稳压器必需具备的特性。因此,作为一款优秀的汽车开关稳压器,其规格需要针对3V至60V的宽工作输入电压范围来拟订。60V的额定电压为通常被箝位于36V至40V范围内的14V系统提供了一个适当的裕度。另外,在大多数汽车系统中,必需在一个宽负载范围内提供高效功率转换。例如,对于一个5V输出,在10mA至1.2A负载范围内的期望功率转换效率约为85%。在高电流条件下,内部开关需要具有良好的饱和度(在1A时通常为0.2Ω)。为了提高轻负载效率,可减小驱动电流或使驱动电流与负载电流成比例。而且,内部控制电路的电源必须通过一个可由输出供电的BIAS引脚来提供。这利用了一个降压型转换器的功率转换效率。由于该偏置电流取自输出而非输入,因而减小了控制电路所需的输入电源电流,其降幅为输出电压与输入电压之比。
在汽车系统中,有许多应用是需要连续供电的(即使在汽车停驶的情况下也不例外),比如:遥控车门锁、安全和GPS系统。TonyArmstrong表示,对于这些应用来说,低静态电流是一项关键的要求,目的是延长电池的使用寿命。在此类场合中,稳压器将运行于标准的连续开关模式,直到输出电流减小至约100mA以下为止。在该电流水平以下,开关稳压器必须执行脉冲跳跃操作,以维持稳压作用。在脉冲之间,稳压器可以进入睡眠模式,此时仅对内部电路的某一部分供电。然而,在轻负载电流条件下,开关稳压器必需自动切换至突发模式操作。
也许会有人对开关稳压器所产生的噪声心生疑虑,但是其效率指标则优越得多。在许多敏感应用中,只要开关电源的工作是可以预知的,就能够很容易地控制噪声和EMI水平,这一点已经得到了证实。如果开关稳压器在标准模式中以一个恒定的频率进行开关操作,且开关脉冲的边缘是干净和可预测的,没有发生过冲或高频振铃现象,则EMI将得到最大限度的抑制。小封装尺寸和高工作频率可实现小巧而紧凑的电路板布局,这将最大限度地减少EMI辐射。另外,如果开关稳压器能够与低ESR陶瓷电容器一起使用,则还可以实现输入和输出电压纹波(它们是系统中的额外噪声源)的最小化。
汽车电子系统复杂化对电源管理芯片提出很高的技术要求,TonyArmstrong表示,包括汽车电源管理芯片在内的各种车身电子器件的规格应针对很宽的工作温度范围(对于电源管理IC来说,有时需要承受高达150℃的结温)来拟订。对于功率器件而言,只规定125℃的额定温度可能是不够的,因为结温将高于环境温度。始终保持接通的子系统应采用具非常低待机电流的IC,以最大限度地减少电池电量的消耗。其冷车发动和负载突降承受能力是至关紧要的。