新型汽車設計需要降壓-升壓型轉換器

　　引言

　　每年，汽車都采用更多的復雜電子系統，以最大限度地提高舒適度、安全性和性能，同時最大限度地降低有害氣體排放。根據市場調查公司 Databeans的數據，從 2011 年到 2014 年，汽車半導體市場的年復合增長率將達到 9%。汽車中電子系統的日益增多受到了以下因素的驅動：新型安全系統、信息娛樂系統 (車載多媒體系統)、發動機和動力傳動系統管理、衛星無線電和電視、LED 照明、藍牙以及其他無線系統和后視攝像頭。5 年前，這些系統僅在歐洲的高端豪華汽車中才能見到，但是現在，這些系統正集成到每一個制造商的中檔汽車中，從而使汽車 IC 市場能以更快的速度增長。

　　汽車采用電子系統的一個主要驅動力是新型發動機和動力傳動系統設計的采用，其中包括直接燃料噴射、停-啟控制和各種不同的混合型 / 電動型汽車配置的采用。同時，世界各地的尾氣排放標準變得越來越嚴格，而提高燃油里程的壓力持續增加。然而，客戶要求更高的性能。這些要求一度是相互排斥的，不過采用“智能”發動機控制系統、大量傳感器和幾個 DSP，使汽車制造商能實現更高的發動機效率，同時使發動機能以更清潔的方式運行。電子控制單元 (ECU) 正在快速普及，以優化汽車的多方面設計，例如發動機和動力傳動系統管理、動態底盤控制等。總之，這些新系統改善了安全性、性能和駕駛員舒適度，有助于為我們所有人提供一個更清潔的環境。

　　隨著汽車系統中電子組件數量的增多，可用空間持續壓縮，這極大地增大了每個系統的密度。所有這些系統都需要電源轉換 IC，通常這些 IC 有多種電壓軌，以給每個子系統供電。傳統上，線性穩壓器滿足了大部分這類電源轉換需求，因為效率和小尺寸不是最重要的。但是隨著功率密度提高了數個量級，加之很多應用需要在相對高的環境溫度中運行，任何切實可行的散熱系統都太大，沒有足夠的空間容納。因此，電源轉換效率變得至關重要了，這導致降壓型開關穩壓器取代了線性穩壓器。不過，新出現的汽車設計需要開關穩壓器提供恒定輸出電壓，而不管輸入是否高于、低于或等于輸出。新的電源 IC 無論輸入電壓擺幅多大，都能連續提供良好穩定的輸出，這給電源管理 IC 造成了新的挑戰。電源管理 IC 不僅必須提供堅固的設計，而且必須提供最高效率、最低靜態電流和占板面積緊湊的解決方案。

　　電子系統的瞬態挑戰：停/啟、冷車發動和負載突降情況

　　為了最大限度地提高燃油里程，同時盡量降低碳排放，一些非傳統型動力傳動技術在不斷發展。這些新技術無論是采用混合動力、清潔柴油發動機還是采用更傳統內燃機設計，都有可能采用停-啟電動機設計。在全世界所有混合動力設計中，幾乎普遍采用了停-啟電動機設計，很多歐洲和亞洲汽車制造商也將這類設計納入了傳統的汽油和柴油動力汽車中。美國福特公司不久前宣布，將在很多2012家用車型中采用停-啟系統。

　　停-啟發動機的概念很簡單，當車輛停駛時，關閉發動機，然后在車輛加速之前的瞬間，立即重新啟動發動機。當汽車在車流中或因紅燈停駛時，這可以減少燃油消耗和尾氣排放。這種停-啟設計可將油耗及尾氣排放量降低 5% 至 10%。不過，這類設計面臨的最大挑戰是要讓駕駛員察覺不到整個停-啟過程。要想讓駕駛員察覺不到停-啟過程，需要消除兩大設計障礙。第一個是，利用增強的啟動器設計，實現快速重啟，有些汽車制造商已經將重啟時間降至不到 0.5 秒，從而使停-啟過程真正察覺不到。第二個設計挑戰是，當發動機關閉時，保持所有電子系統 (包括直接由電池供電的空調) 正常運行，同時保持足夠的電力儲備，以在加速時快速重啟發動機。

　　為了納入停-啟功能，動力傳統系統的設計必須修改。也就是說，交流發電機也許還要兼作增強的電動機起動器，以確保快速重啟。此外，必須增加停-啟電子控制單元 (ECU)，以控制發動機何時以及怎樣啟動和停止。當發動機 / 交流發電機關閉時，電池必須能給車輛的各種燈、環境控制以及其他電子系統供電。此外，當再次需要發動機工作時，電池必須能給啟動器供電。這種極端的電池加載操作引入了另一個設計挑戰，這一次是電氣方面的挑戰，重啟發動機需要吸取很大的電流，這又可能將電池電壓暫時拉低至 4V，與圖 1 所示的電壓曲線十分類似。這對電子系統的挑戰在于，當電池總線電壓短暫地低于所需輸出電壓，然后當充電器返回穩定狀態，電池總線電壓又返回標稱的 13.8V 電壓時，要提供良好穩定的 5V (或更高的) 電壓。

　　圖 1：停-啟和冷車發動時的瞬態電壓

　　5V/DIV：每格 5V

　　INDUCTOR CURRENT：電感器電流

　　“冷車發動” 是汽車發動機處于寒冷或冰凍溫度一段時間后而起動的情況。這時機油變得十分粘稠，要求電動機起動器提供更大的扭矩，這回從電池吸取更大的電流。這種大電流負載在點火時，可能將電池 / 主總線電壓拉低至 4.0V，之后，電池總線電壓一般返回標稱的 13.8V。汽車電源總線的電氣表現看起來與圖 1 所示停-啟系統的情況非常類似，但是它們的原因卻很不相同。至關重要的是，在發生冷車發動情況時，發動機控制、行車安全、導航系統等應用需要良好穩定的輸出電壓 (通常為 5V)，以在車輛啟動時連續運行。

　　“負載突降” 是指當電池電纜斷接同時交流發電機仍然給電池充電的情況。當電池電纜連接不牢固同時汽車在運行時，或當電池電纜斷裂同時汽車在運行時，可能發生“負載突降”情況。這種電池電纜的突然意外斷接可能產生高達 60V 的瞬態電壓尖峰，因為交流發電機試圖給不存在的電池滿充電。交流發電機上的瞬態電壓抑制器通常將總線電壓箝位在 30V 到 34V 之間，并吸收大部分浪涌。不過，交流發電機下游的 DC/DC 轉換器遭受了高達 36V 的瞬態電壓尖峰。人們希望這些轉換器不僅能承受這樣的電壓尖峰而不被損壞，而且在這種瞬態事件發生期間，還必須能連續調節輸出電壓。

　　圖 2：36V 負載突降情況下的電壓瞬態

　　10V/DIV：每格 10V

　　INDUCTOR CURRENT：電感器電流