隨著汽車中使用的電子元件數(shù)量不斷快速增多,，我們可以預(yù)期電源轉(zhuǎn)換集成電路會(huì)面臨更多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：有些器件需要穩(wěn)定的電壓輸入、低靜態(tài)電流和低噪聲,，而另一些器件則需要為滿足LED照明等特定應(yīng)用的需求而專門定制,，所有器件都需要占板面積更小、效率盡可能高,。 

        汽車中每年都在不斷增加越來(lái)越復(fù)雜的電子系統(tǒng),。市場(chǎng)調(diào)查公司IC Insights預(yù)計(jì)，2008年汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)將從2005年的125億美元增長(zhǎng)到超過(guò)181億美元,。另一家市場(chǎng)調(diào)查公司 Strategy Analytics 對(duì)這個(gè)市場(chǎng)的看法也同樣樂(lè)觀：今天,，在汽車總成本中,，電子系統(tǒng)成本所占比重超過(guò)20%，到2008年這個(gè)比重將超過(guò)30%,。汽車中安裝的電子系統(tǒng)包括信息娛樂(lè)系統(tǒng),、發(fā)動(dòng)機(jī)管理、防撞雷達(dá),、衛(wèi)星無(wú)線電設(shè)備和電視,、免提蜂窩電話以及其它無(wú)線連接系統(tǒng)。這些系統(tǒng)過(guò)去常常只出現(xiàn)在歐洲“高檔”豪華型汽車中,，但是現(xiàn)在卻正在集成到更多“主流”汽車中,，這使得汽車集成電路市場(chǎng)的增長(zhǎng)更加快。 

        增長(zhǎng)最明顯的領(lǐng)域之一是基于DVD/HDD的信息娛樂(lè)系統(tǒng),，這些系統(tǒng)是大多數(shù)中高檔汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置,。這類系統(tǒng)于1997年首次推出，2006年全球銷量預(yù)計(jì)將超過(guò) 1500萬(wàn)部,。這種信息娛樂(lè)系統(tǒng)至少包括導(dǎo)航系統(tǒng),、AM/FM收音機(jī)和CD播放器，但是現(xiàn)在越來(lái)越多的系統(tǒng)增加了具有多個(gè)輸出的DVD播放器,、衛(wèi)星無(wú)線電設(shè)備,，甚至在某些情況下還增加了衛(wèi)星電視。這些系統(tǒng)年復(fù)年地變得越來(lái)越復(fù)雜,，還增加了面朝后的汽車攝像機(jī),、遇險(xiǎn)通信系統(tǒng)、藍(lán)牙兼容免提蜂窩電話等選項(xiàng),。 

        同時(shí),，這些系統(tǒng)中的元件數(shù)也在增多，而可用空間卻在不斷縮小,。因此,，任何實(shí)用的散熱器都太大，系統(tǒng)無(wú)法容納,。這樣一來(lái),，由于空間限制和工作溫度要求，電源轉(zhuǎn)換效率就成了關(guān)鍵因素,。在低輸出電壓和甚至高于幾百毫安的中等電流水平,，簡(jiǎn)單使用線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生這類系統(tǒng)所用電壓都不再可行了，因?yàn)楫a(chǎn)生的熱量太多,。因此,，主要由于熱限制，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器正在取代線性穩(wěn)壓器,。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的高效率,、小占板面積等好處與附帶的復(fù)雜性和EMI問(wèn)題相比,，還是利大于弊的。 

        這些復(fù)雜的系統(tǒng)需要在可靠和緊湊的布局中有大量電壓軌,，為這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源給電源集成電路設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn),。圖1說(shuō)明了今天的信息娛樂(lè)系統(tǒng)的復(fù)雜性。

圖1：現(xiàn)代信息娛樂(lè)系統(tǒng),。

        典型的信息娛樂(lè)系統(tǒng)可能有 8 個(gè)或更多不同的電源,，如8.5V(在歐洲是 8.5V，在日本是 9.5V),、5V,、3.3V,、2.5V,、1.5V和1.2V。8V用作DVD電機(jī)電源,，用于旋轉(zhuǎn)盤片,，這通常需要高達(dá)2A的峰值電流。5V和3.3V電源軌一般用于系統(tǒng)總線,，通常都需要提供2A至3A電流,。2.5V電源軌用于存儲(chǔ)器和I/O，1A至2A電流足夠了,。1.5V和1.2V電源軌分別用于為CPU和DSP內(nèi)核供電,。這兩種電壓軌的功率級(jí)通常在3W至5W 之間。 

        除了這些較高電流的應(yīng)用,，也需要較低功率級(jí)(低于1W)用于主TFT-LCD顯示器(一般為7英寸至10英寸)以及攝像機(jī)CCD的偏置,。還需要一個(gè)5W至10W的功率級(jí)用于TFT-LCD顯示器的白光LED背光照明。 

        由于要滿足所有這些功率需求,，因此在大多數(shù)信息娛樂(lè)系統(tǒng)中可以發(fā)現(xiàn)多種開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器,。在比較有利的電氣環(huán)境中，可使用便攜產(chǎn)品所用的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器,。不過(guò),，有些電源集成電路面對(duì)的是苛刻得多的電氣環(huán)境，這帶來(lái)了很大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),。例如,，無(wú)論何時(shí)，只要電源軌直接產(chǎn)生于電池/充電系統(tǒng),，就要求寬輸入電壓范圍來(lái)滿足電壓擺幅極大的要求,。如果特定系統(tǒng)需要保持“始終接通”狀態(tài)，那么最重要的是要具有最低靜態(tài)電流,。類似地,，開(kāi)關(guān)頻率接近AM/RF/GPS電路頻率的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器集成電路一定不要對(duì)這些頻帶產(chǎn)生干擾,。用于TFT-LCD背光照明的LED 驅(qū)動(dòng)器集成電路必須具有寬調(diào)光范圍，以補(bǔ)償最輕微的環(huán)境光線變化,。最后,，所有 DC/DC 轉(zhuǎn)換器都要盡可能小，以適合緊湊的布局,，還要盡可能高的效率,，以消除對(duì)散熱器的需求。

用電池供電 

        不管信息娛樂(lè)系統(tǒng)中有什么樣的應(yīng)用或子系統(tǒng),，電源最初都是來(lái)自汽車電池和充電系統(tǒng),。然而，汽車電池或充電系統(tǒng)剛好是電氣環(huán)境最苛刻的地方,。就電源集成電路以及由這些集成電路供電的子系統(tǒng)而言,，主要關(guān)注兩種情況：負(fù)載突降和冷車發(fā)動(dòng)。 

        1．負(fù)載突降(60V瞬態(tài)保護(hù))： 

        “負(fù)載突降”是交流發(fā)電機(jī)正在給電池充電而電池電纜斷接時(shí)出現(xiàn)的情況,。圖 2 顯示了由負(fù)載突降引起的典型電壓瞬態(tài),。在交流發(fā)電機(jī)試圖全力充電時(shí)突然斷接可能產(chǎn)生高達(dá)80V的瞬態(tài)電壓尖峰。交流發(fā)電機(jī)上的瞬態(tài)電壓抑制器通常將總線電壓箝位在36V到60V之間,。不過(guò),，交流發(fā)電機(jī)的下游器件主端DC/DC轉(zhuǎn)換器可能仍然要承受 60V 的瞬態(tài)電壓尖峰。由于這些轉(zhuǎn)換器和由轉(zhuǎn)換器供電的子系統(tǒng)在這種瞬態(tài)事件發(fā)生期間和發(fā)生以后要正常工作,，因此DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠處理這些高壓(60V 至 100VMAX)瞬態(tài)是至關(guān)重要的,。可以在外部實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)電路(通常是瞬態(tài)電壓抑制器),，但是外部電路提高了成本,，而且需要占用寶貴的空間。凌特公司的幾款高壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器,，如LT3433,、LT3434/5、LT1976/7和LT3437/8,，能夠承受高達(dá)80V的瞬態(tài)電壓,，同時(shí)保持輸出穩(wěn)壓，不對(duì)系統(tǒng)性能或可靠性造成影響,。一般情況下,，這些穩(wěn)壓器是降壓型或降壓-升壓型的，可經(jīng)受由充電/電池系統(tǒng)中斷引起的汽車電池和交流發(fā)電機(jī)的電壓改變,。

圖2：負(fù)載突降和冷車發(fā)動(dòng)的輸入/輸出電壓隨時(shí)間的變化,。

        總之：負(fù)載突降瞬態(tài)是由正在充電的電池意外斷接引起的電壓尖峰；負(fù)載突降瞬態(tài)規(guī)格為36V至80V,，但是取決于具體使用的是哪一代電源以及所用的控制方法,；如果不加抑制,，負(fù)載突降瞬態(tài)能損壞電源總線上的很多電子元件。 

        2．冷車發(fā)動(dòng)(4.5V至超過(guò)60V的輸入瞬態(tài))： 

        “冷車發(fā)動(dòng)”是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在寒冷或冰凍溫度下度過(guò)一段時(shí)間后發(fā)生的情況,。這時(shí)機(jī)油變得非常黏稠,，需要發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器提供更大的扭轉(zhuǎn)力，而這又需要電池提供更大的電流,。這種大電流負(fù)載能在啟動(dòng)時(shí)將電池/主端總線電壓拉低至 4V,，之后，電壓一般會(huì)返回到標(biāo)稱的13.8V,。圖2用圖形表述了在冷車發(fā)動(dòng)時(shí)電壓隨時(shí)間變化的情況,。問(wèn)題是，某些子系統(tǒng)在整個(gè)冷車發(fā)動(dòng)過(guò)程中需要非常恒定的穩(wěn)定輸出,。這些應(yīng)用一般用 3.3V 電壓工作,，包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)以及對(duì)汽車安全和可靠工作至關(guān)重要的環(huán)境和應(yīng)急系統(tǒng)等。 

        任何直接連接到電池上的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器都需要規(guī)定在3至60V的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作,，以確保滿足冷車發(fā)動(dòng)和負(fù)載突降情況的要求,。此外，60V額定值為14V系統(tǒng)提供了極好的裕度,，這些系統(tǒng)常常箝位到36V至40V的范圍。滿足上述要求的器件包括LT3430和LT3431,，這兩款器件適用于需要高達(dá)2.5A 輸出電流的應(yīng)用,，以及滿足1.25A電流要求的LT1766和LT1767。

始終接通系統(tǒng) 

        典型的信息娛樂(lè)系統(tǒng)都有需要始終工作的子系統(tǒng)：如GPS接收器,、IR系統(tǒng)和系統(tǒng)微處理器,。由于汽車點(diǎn)火裝置有時(shí)是斷開(kāi)的，這些子系統(tǒng)必須直接連接到電池,，以低功率模式工作,。這要求靜態(tài)電流最低，而且要求這些子系統(tǒng)能夠承受點(diǎn)火裝置接通時(shí)電池和充電系統(tǒng)的電壓變化,。再加上汽車中的其他電源系統(tǒng),，因此對(duì)電池的要求越來(lái)越高了，即使在點(diǎn)火裝置斷開(kāi)時(shí)也是這樣,?？傮w上，需要幾百毫安的電源電流來(lái)維持始終接通處理器所需的電壓,，這可能在幾周之內(nèi)就能完全耗盡電池的電量,。為了更好地滿足這些需求，一些汽車制造商尋求每個(gè)“始終接通”DC/DC轉(zhuǎn)換器達(dá)到100uA的最大靜態(tài)電流“目標(biāo)”,。

圖3：LT3437用于汽車應(yīng)用的原理圖和電源電流

        不過(guò),，直到最近,，就轉(zhuǎn)換器而言，高輸入電壓和低靜態(tài)電流都是互不相容的參數(shù)要求,。凌特公司的高壓(60V至80V)100uA降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器系列是第一種同時(shí)滿足上述兩種要求的器件,。這個(gè)系列器件的最大輸入電壓范圍為60V至80V，輸出電流范圍為450mA(LT3437)至2.5A(LT3434),，靜態(tài)電流都低于100uA,。 

        圖3是LT3437的原理圖和合成電源電流。該器件以4.5V至80V的輸入電壓可以維持3.3V的穩(wěn)定輸出電壓,，同時(shí)具有超過(guò)80%的效率,。它采用有引線耐熱增強(qiáng)型 TSSOP-16封裝或3mm ×3mm 纖巧無(wú)引線 DFN 封裝。這兩種封裝都具有非常高的熱效率,，θJC僅為10℃/W,，無(wú)需任何外部散熱器。LT3437 采用獨(dú)特的突發(fā)模式設(shè)計(jì),，能夠用僅為100uA的電源電流工作,，非常適用于始終接通應(yīng)用。LT3434和LT1976等類似器件也可用于電流較高的應(yīng)用,，如分別適用于輸出電流為2.5A和1.25A的應(yīng)用,。

再轉(zhuǎn)換的電源軌 

        不管電源是3.3V還是5V，在進(jìn)入信息系統(tǒng)之后都可以直接驅(qū)動(dòng)很多系統(tǒng)內(nèi)部電路,，因?yàn)楹芏嚯娐范伎梢杂?.7V至5.5V的電壓工作,。不過(guò)，有幾種電路需要比最初的電壓軌更高或更低的電壓,。最明顯的是CD/DVD驅(qū)動(dòng)器電機(jī),，它需要8.5V電壓。有些CPU和DSP需要1.2V至1.5V的電壓,，面朝后攝像機(jī)的CCD需要偏置電壓(15V和-8V),，TFT-LCD顯示器既需要偏置電壓(8V、15V和-8V)也需要白光 LED照明(高達(dá)36V),。慶幸的是,，一般情況下，對(duì)電池的主電源轉(zhuǎn)換已經(jīng)起到了保護(hù)這些電壓軌免受瞬態(tài)和過(guò)壓變化影響的作用,，因此在這些再轉(zhuǎn)換的電源就無(wú)需保護(hù)了,。不過(guò)最大限度地降低開(kāi)關(guān)噪聲成了最重要的事情，因?yàn)楹芏嚯娫崔D(zhuǎn)換都是在靠近噪聲敏感的AM,、RF或GPS接收器的地方進(jìn)行的,。只要開(kāi)關(guān)行為是可預(yù)測(cè)的，這些潛在的噪聲和 EMI在很多敏感應(yīng)用中就都是可管理的，這一點(diǎn)已經(jīng)得到證實(shí),。如果開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在正常工作模式下以恒定頻率開(kāi)關(guān),，而且切換邊沿是干凈和可預(yù)測(cè)的，沒(méi)有過(guò)沖或高頻振鈴,，那么EMI就得到了最大限度的降低,。此外，如果穩(wěn)壓器可以采用低ESR陶瓷電容器,，那么輸入和輸出電壓紋波可以最大限度地降低,，而這種紋波是系統(tǒng)中的潛在噪聲源。

驅(qū)動(dòng)DVD/CD的電動(dòng)機(jī) 

        驅(qū)動(dòng)DVD/CD的電機(jī)在8.5V時(shí)需要高達(dá)2A的電流,，以轉(zhuǎn)動(dòng)CD/DVD盤片,。由于這種在8.5V時(shí)相對(duì)高的負(fù)載，一般直接由電池供電,，將電池電壓降低至8.5V,。與從較低電壓軌升壓到8.5V相比，這個(gè)解決方案實(shí)現(xiàn)了較高的效率,。直接用電池供電要求轉(zhuǎn)換器具有穩(wěn)定的輸入電壓能力,，以保護(hù)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器免受高壓瞬態(tài)影響。凌特公司的 LT3430 既可以為這種應(yīng)用提供瞬態(tài)保護(hù)又可以提供所需的輸出電流,。該器件具有高達(dá) 90% 的效率,，采用耐熱增強(qiáng)型TSSOP-16 封裝，熱耗散很低,，同時(shí)解決方案占板面積也很小,。

微處理器和存儲(chǔ)器電源 

        任何信息娛樂(lè)系統(tǒng)中都有一些微處理器。它們的內(nèi)核都需要1.2V至2.5V的電源,，而它們的存儲(chǔ)器和I/O都需要2.5V或3.0V電壓，因此需要對(duì)5V主電源或3.3V中間電壓軌降壓,。效率是最重要的,，因?yàn)檫@些子系統(tǒng)非常緊湊，沒(méi)有多余的地方放置散熱器,。LTC3407-2就是一種滿足上述要求的穩(wěn)壓器,。其同步整流拓?fù)涮峁└哌_(dá) 96%的效率，同時(shí)其恒定開(kāi)關(guān)頻率為2.25MHz,，保持噪聲在相鄰音頻接收器的敏感 AM頻帶之外,。

TFT-LCD平板和CCD偏置 

        TFT平板(對(duì)角線為6英寸至10英寸)除了大約8V的中間電壓(通常稱為 AVDD)需要高達(dá)450mA的電流，一般需要較低的偏置電源,，如 16V/10mA和8V/10mA,。凌特公司的LT1935是一個(gè)理想的選擇。LT1935的效率高達(dá)80%,，ThinSOT封裝保持解決方案占板面積最小,。面朝后攝像機(jī)的CCD也需要某些類型的偏置電源,，一般需要的是15V/20mA 和-8V/50mA。凌特公司的LT3472是低噪聲,、恒定頻率(1.1MHz)的雙輸出升壓/負(fù)輸出型集成電路,，可用2.2V至16V的輸入工作，提供所需的CCD偏置電壓,。其3mm×3mm DFN封裝最大限度地縮小了解決方案占板面積,，同時(shí)具有卓越的熱性能。

TFT-LCD白光LED背光照明 

        除了偏置電壓,，TFT-LCD顯示器還需要背光照明以便觀看,。傳統(tǒng)上，背光照明一直是采用CCFL實(shí)現(xiàn)的,。但是,，由于白光LED的尺寸更小，可靠性更高,，因此在背光照明應(yīng)用中迅速取代了CCFL,。由于汽車內(nèi)部光線變化和人眼對(duì)光強(qiáng)微小變化的敏感性，要求這些顯示器的背光照明有高達(dá)1000:1的寬調(diào)光范圍,。凌特公司的 LT3486(參見(jiàn)圖 4)可以解決這一問(wèn)題,。該器件是一種雙輸出降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，專門設(shè)計(jì)成用12V輸入電壓驅(qū)動(dòng)多達(dá)16個(gè)100mA的白光LED(每通道8個(gè)LED串聯(lián)),。它用作恒定電流源,，保持LED的亮度恒定，甚至每個(gè)LED的正向電壓不同時(shí)也一樣,。LT3486是第一個(gè)采用“真正彩色 PWM(True Color PWM)調(diào)光”的LED驅(qū)動(dòng)器,，向LED提供了恒定電流，保持LED以恒定顏色發(fā)光,。調(diào)光通過(guò)降低PWM驅(qū)動(dòng)器的占空比控制,。正像從圖4中可以看到的那樣，就大多數(shù)所需調(diào)光范圍而言,，該器件的效率在80%到90%之間,。其耐熱增強(qiáng)型TSSOP-16封裝體積很小，熱效率很高,。

圖4：LT3486 汽車 TFT-LCD 背光照明原理圖和效率,。

本文總結(jié)： 

        隨著汽車中使用的電子元件數(shù)量不斷快速增多，我們可以預(yù)期,，電源轉(zhuǎn)換集成電路會(huì)面臨更多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),。有些器件需要穩(wěn)定的電壓輸入、低靜態(tài)電流和低噪聲，而另一些集成電路則需要為滿足LED照明等特定應(yīng)用的需求而專門定制,。所有器件都需要占板面積更小,，效率盡可能最高。凌特公司已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這種發(fā)展趨勢(shì),，并已經(jīng)開(kāi)發(fā)出使汽車中電子產(chǎn)品能夠加速增多的電源集成電路,。