汽車內部電子系統的功耗問題

現在，汽車制造商正不斷地把越來越復雜的電子系統整合到汽車里。AlliedBusinessIntelligence公司預測，汽車半導體市場的年銷售額將從去年的123億美元上升到2007年的170億美元。另一家公司的戰略分析員也提出同樣的觀點：對于現在一部普通的汽車來說，電子系統的成本將占整部汽車的20%以上，但是，到2008年，這個比重將提高到30%。典型的車載電子系統包括：防撞擊雷達、自適應巡航控制、輪胎氣壓監測、導航系統、免提式蜂窩電話和其他的無線連接，以及利用生物特征參數的接入。
　　
一個顯著的增長體現在DVD/HDD導航系統上。第一部DVD/HDD導航系統是在1997年問世的，今年這類系統在全球的銷量預計將超過1,300萬臺。對于任何類型的電子產品而言，汽車的環境仍然是非常苛刻的。要求較大的工作電壓范圍，加上很高的瞬變電壓，溫度變化范圍很大，這些問題合在一起，對電子系統提出了巨大的挑戰。此外，對電子系統性能的要求也越來越高，而且，還需要能夠為系統內的各個不同部件提供不同的電壓。
　　
現在所生產的大多數汽車中、高檔汽車都把DVD全球定位導航系統作為汽車里的一個標準設備。然而，要在這樣的系統里設計一個能夠滿足所有不同電壓要求的電源，其復雜程度和設計一個筆記本電腦的電源不相上下。一個典型的導航系統至少需要六種電壓：8V、5V、3.3V、2.5V、1.5V和1.2V。8V電壓是用來給DVD馬達供電的，它用于帶動光盤旋轉，在通常情況下，需要高達2A的峰值電流。5V和3.3V電壓一般是供給系統總線的，它們都需要2A至3A的電流。1.5V和1.2V電壓分別是CPU內核和DSP內核的供電電壓，這兩路電壓的功率一般在3W到5W之間。
　　
同時，元器件的數量卻在不斷地增加，而可用的空間卻越來越小。由于實際需要發散的熱量太大了，很難把熱量散發出去。因為空間受到限制，而且要求工作溫度在一定范圍內，所以，轉換效率也就變得越來越重要。當輸出電壓很低而電流適中（約在幾百毫安培以上）時，就無法簡單地用一個線性穩壓器來產生這些系統所需要的電壓。于是，在過去的幾年里，主要是因為在熱量方面的限制，開關穩壓器正漸漸地取代了線性穩壓器。開關穩壓器的好處是：效率較高，尺寸較小，這些好處超過了它的復雜性和電磁干擾的問題。
　　
對于計劃在汽車導航系統中使用的開關穩壓器來說，由于考慮到存在上述這些限制，那么，它就必須具備以下這些功能和特點：
●輸入工作電壓范圍寬；
●在整個較寬的負載范圍內的效率高；
●在正常的工作模式、待機模式和關機模式下，靜態電流都必須很低；
●熱阻小；
●噪聲和電磁干擾都很小。
　　
輸入電壓工作范圍寬。任何開關穩壓器的輸入電壓范圍都必須在3V至60V之間，只有這樣，才能滿足“冷啟動”和“大負載”的要求。它還具有別的好處，即汽車系統既可以在14V的電壓下運行，也可以在42V的電壓下運行。此外，使用60V的額定電壓的另一個好處是這樣能夠給14V系統留出一個空間，從而可以把電壓控制在36V到40V這個范圍內。再者，有了這個60V的額定電壓，這個設備將來也就可以用于新的42V系統。也就是說，一個14V系統的設計可以很容易地升級到42V系統，不必重新做很多設計。
　　


效率。對于大多數汽車系統而言，在一個較寬的負載范圍內保持較高的功率轉換效率是很重要的。例如，對于輸出電壓為5V、負載在10mA到2.5A之間的應用來說，功率轉換效率預計為85%。當電流很大時，內部開關必須完全飽和，在一般情況下，在電流為3A時，功耗為0.1W。為了提高輕載效率，可以降低驅動電流，或者讓驅動電流與負載電流成比例。此外，還可以通過一個偏置引腳給內部控制電路供電，這個引腳可以用輸出電壓來供電。這利用了降壓轉換器的功率轉換效率高的優點。偏置電流是由輸出而不是由輸入得到的，因此控制電路從供電電源吸收的電流就減少了，減少的倍數是輸入電壓與輸出電壓的比值。對輸入電流源的要求。例如，當輸出電壓為3.3V，輸出電流為100礎，這時需要從12Ｖ電壓提供的平均輸入電流是30礎。這樣減少了控制電路所需要的電流，從而提高了輕載時的效率。
　　
靜態電流小。汽車系統里的許多產品即使在汽車停止不動的時候也需要源源不斷地供給電力。對于這些產品來說，一個重要的指標是靜態電流要小。如果輸出電流不低于100mA，那么，這個設備就一直在正常的開關模式下運作。當電流低于100mA時，開關穩壓器必須跳過一些脈沖，維持穩壓作用。在兩個脈沖之間穩壓器可以進入深度休眠模式，在這個模式下，只對內部的一部分電路供電。在負載電流很小時，開關穩壓器要自動地切換到猝發模式。在這個模式下，12V至3.3V的轉換器的靜態電流會下降到100礎以下。在休眠模式下，內部參考電壓和電源正常指示電路仍然工作，以監視輸出電壓。在關機狀態下，靜態電流應低于1礎。
　　
熱阻小。在理想狀態下，半導體結到外殼的熱阻應該很小。如果器件背面的銅是裸露的，而且是焊接在印刷電路板的表面，那么，就可以通過這個印刷電路板把這個器件上的熱量散發出去。如今經常使用的四層電路板，中間有一層是功率層，它的熱阻在40℃/W的范圍內。對于在周圍溫度較高的環境中使用的產品，它們熱量傳給金屬外殼的導熱性能很好，熱阻接近半導體結至外殼的熱阻，通常是10℃/W，從而擴大了有效工作溫度的范圍。