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功率技術/新能源  

正視汽車電子系統帶來的電源IC設計挑戰

上網時間: 2007年03月29日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Linear  凌力爾特  汽車電子  電源  LT3481 

每一年,車用裝置均持續且不斷地導入複雜的電子系統。根據IC Insights預測,汽車半導體市場從2005年的125億美元一路攀升,到2008年其成長將超過181億美元。另一家市調公司Strategy Analytics也持有相同而正面的看法:今日,電子系統的成本比重已超過一輛汽車典型成本的20%以上,但這個數字在2008年將躍升至30%以上。

這些電子系統的標準應用,如車內娛樂系統、引擎管理、防碰撞雷達、衛星無線通訊和電視、免持手機以及其它無線連接等,從前只在高階的歐洲豪華車款才能見到,但現在已被汽車製造商視為主流車款配備,正加速著汽車IC的快速成長。

與此同時,這些系統使用的元件數也不斷增加,然而,可獲得的空間卻持續被壓縮。因此,任何實用的散熱裝置都顯得太大而不實用,也因為這種空間的限制和工作溫度區間的需求,讓電源轉換效率變得相當重要。在低輸出電壓和高於幾百毫安培的中等電流位準下,簡單地利用線性穩壓器以提供這些系統電壓已不切實際,因其會產生太多熱。這些限制的結果便是以開關式穩壓器取代線性穩壓器。開關式穩壓器的優勢包含效率的提升、較小的接腳佔位,而這些足以彌補額外的設計複雜度和EMI等問題。

本文主要研究此成長中的兩個主要元件:即高電壓always on電源供應器和LED照明的需求。這兩者所提出的要求已為汽車電子的設計人員與製造商帶來全新挑戰。

‘Always-On’系統要求

隨著新式導航、保全和引擎管理的導入,為電子電源系統在汽車電源IC的領域帶來了全新挑戰。這些系統使用多顆微處理器和微控制器,一般的豪華車款便內建多達80顆此類DSP。多數DSP以兩種模式工作。第一,當汽車處於啟動狀態時,其一般會以由電池或充電系統所灌入的全電流工作。然而,當車輛停止運轉時,許多此類微處理器必須維持‘待命’(alive)狀態,因此會汲取極低但必要的電流。因為有多達20顆用於導航、保全、空調控制和引擎管理系統的這類‘Always-On’處理器,導致對引擎停止運轉後的持續電力需求有著日益增長的趨勢。

整體而言,驅動這些‘Always-On’處理器需要數百mA的供應電流,而這些微處理器可能在幾天內便完全耗盡一顆電池電力,如長程商務旅行後,豪華汽車的電池將可能無法啟動引擎。這些電源供應器的靜態電流必須被強勢地降低,以保持電池壽命而不大幅增加電子系統的尺寸或複雜度。直到最近,高輸入電壓能力和低靜態電流的需求才成為DC/DC轉換器彼此間專有的參數。如果一輛車的每個高電壓降壓轉換器需要2至10mA的供應電流,聯合數個這種轉換器和其它必要的‘Always-On’系統,如ABS煞車、電動窗所引起的漏電流和其它‘Always-On’系統的主機等,將對電池形成極大的電力消耗。

為了完善地管理這些電力需求,許多汽車製造商提出以100μA 為每個‘Always-On’DC/DC轉換器低靜態電流的目標。直到最近,系統製造商被要求將一個低靜態電流的LDO與降壓轉換器並聯,每當汽車停止運轉,便從轉換器切換到具有更低電流的LDO,但這個解決方案卻較昂貴、龐大且缺乏效率。具備36V到60V輸入電壓範圍、小於100μA 的凌力爾特降壓DC/DC轉換器系列,如表所示,已為‘Always-On’問題提供了精巧和有效率的解決方案。


表1:凌力爾特高電壓、低靜態電流穩壓器。

負載突降與冷啟動

‘負載突降’是一種當發電機對電池充電時,電池電線突然斷開的情況。電池電線的突然斷開會造成36V到60V的瞬變電壓突波,這是因為發電機正試圖全力輸出充電。發電機上的transorb經常會將線路電壓箝位在36V到60V之間,並且吸收大部分的突波電流;然而,馬達下游的DC/DC轉換器卻也接收了這36V到60V的瞬變突波。因為這些轉換器以及其所供電的子系統都被期望在這些暫態發生時和發生後皆能持續工作,因此,這些DC/DC轉換器能否處理高電壓瞬變(36V到60V)便顯得相當重要。目前已存在各種保護電路,經常使用的是transorb,這些電路可以建置於外,但卻會增加成本與浪費寶貴的空間。

‘冷啟動(Cold Crank)’是一種當汽車引擎放置在酷冷或冰溫一段時間後所發生的狀況,其引擎油會變得非常黏稠,且啟動馬達必須傳輸更多扭力,於是將從電池汲取更多電流。此大電流負載在汽車點火啟動時,會將電池/主線路電壓拉低至4.5V,之後電壓便會回升到13.8V。對於需求穩定3.3V供電的應用而言,能完好地歷經冷啟動過程而工作是相當必要的。

降壓開關穩壓方案

LT3481是一款2A、34V降壓開關穩壓器,具備Burst Mode操作,可維持靜態電流於50μA以下(圖1)。LT3481可工作於3.6V至34V的VIN範圍間,使其非常適合汽車應用中發生的負載突降和冷啟動狀況。圖2為典型的汽車電路,其3.2A內部開關可提供達2A的連續輸出電流和低至1.26V的電壓。


圖1:LT3481的供應電流 vs. 輸入電壓。


圖2:4.5V-34V-3.3V降壓轉換器LT3481具有50μA 無負載靜態電流。

LT3481的BurstMode操作提供極低靜態電流,非常適合於要求‘Always-On’操作和最佳電池壽命的汽車系統等應用。其開關頻率可由用戶設定,範圍從300kHz到2.8MHz,讓設計人員可最佳化效率外,還可避開如AM廣播等嚴重雜訊敏感頻帶。3mm x 3mm DFN-10封裝(或熱強固型MSOP-10E)與高開關頻率的結合,讓外部電感和電容尺寸得以縮小,以提供一個非常精巧並具備有效散熱的方案。

LT3481使用一個高效率3.2A、0.18Ω開關,並將必要的升壓二極體、振盪器、控制與邏輯電路整合在單一裸晶內,可提供達85%的效率(圖3)。低漣波BurstMode操作在低輸出電流時除可維持高效率外,還可保持輸出漣波低於15mVPK-PK。特殊設計技巧與一個新的高電壓程序讓高效率在寬廣的輸入電壓範圍下得以實現,其電流模式架構則展現快速暫態響應和絕佳迴路穩定性。其它特性尚包含外部同步化(從275kHz到475kHz)、電源良好標誌和軟啟動能力。


圖3:LT3481的效率 vs. 負載電流。

LED照明解決方案

在新一代汽車照明系統中,高功率LED正持續取代著傳統燈泡,因為LED具有寬廣的效能表現與成本優勢,包含絕佳光譜效能、長壽命、強固性、低製造成本和相對的物料安全性等特性。

針對此一應用,凌力爾特已提供一系列大型且持續擴展的高壓DC/DC轉換器產品,適合驅動汽車應用中的高功率LED。其中,LT3474和LT3475是高電壓、大電流、單路和雙路降壓LED轉換器,具有寬廣PWM調光比例,以高達1A和1.5A電流供給單顆80流明至120流明LED的方式驅動單顆或多顆LED。這些LED專屬的驅動器具有內建高電壓NPN功率開關和內部檢測電阻以將板面空間縮至最小、並降低元件數和簡化設計。

利用其高壓端檢測電阻,LT3474和LT3475可驅動接地LED,對於汽車應用而言,這些是很重要的優點,因其可以省去接地線設置。電流模式控制和一個精準的參考電壓,更讓極穩定、低漣波固定LED電流的迴路動態表現達最佳化。對於汽車環境下的高功率操作而言,散熱強化外露焊點封裝讓接面溫度維持在極低的水準。而透過在PWM調光無輸出週期中維持固定輸出電容電壓及內部控制迴路狀態,PWM接腳可透過調光MOSFET閘極訊號延展轉換器的調光比例範圍。關機和外部類比電流調整接腳則為更多的LED照明設定,和任何系統內的電流控制彈性提供了簡單的介面。

單一降壓1A LED驅動器

圖4展示用LT3474降壓轉換器構建的1A LED驅動器,其所具備的特性非常適合板面空間有限、高電壓和高周遭溫度的汽車應用。此電路內建一個位於高壓端的100mΩ檢測電阻,以進行真實LED電流檢測和穩流,此方式優於通常欠缺效率、以固定電壓和耗費功率的偏壓電阻來偏置LED的方法。其4V~36V的輸入電壓範圍可搭配低輸入至無輸入的暫態保護電路,非常適合電池長電纜所導致極高輸入突波的汽車應用。


圖4:用LT3474降壓轉換器構建的1A LED驅動器。

升壓NPN功率開關在1和2 LED(圖5)應用皆可實現高效率。內建升壓二極體,可進一步降低元件數。


圖5:LT3474可高效驅動LED。

將關機接腳接地可關閉LED,讓輸入電流降低至小於2μA,從而延長電池壽命。

LED亮度,若不是以外部MOSFET驅動器達成400:1 真實色彩PWMTM之調光方式來控制,便是以VADJ接腳上的類比25:1(或濾波過的PWM)訊號來調整。藉由一個可將開關頻率設定於200kHz~2MHz之間的外部電阻,能讓應用根據最高效率或最小元件尺寸要求來各自最佳化。LT3474的最大輸出電壓被箝位在13.8V,可保護LT3474輸出不受LED開路影響。短路保護是最後的重點,對於任何形式的LED失效情形,其讓LT3474表現的如同一個具有防彈效果的強固轉換器。

雙路降壓1.5A LED驅動器

圖6展示運用LT3475設計的雙路1.5A降壓轉換器LED驅動器,其於同一顆IC中結合兩顆LT3474轉換器,並外加一些額外功能。這個簡單的解決方案非常適合同一系統內要求雙頂燈或儀表板照明的汽車應用。雙路照明(每路配備單顆或多顆LED)有各自VADJ電壓和PWM訊號,可獨立工作,但藉由降低電路對電池總電力的消耗至關機狀態的2μA,單獨的關機接腳可進一步實現節省電池電力的微功率操作。


圖6:運用LT3475設計的雙路1.5A降壓轉換器LED驅動器。

其雙路輸出中的每一路均為予更高亮度的LED或要求更高電流和更低順向電壓的LED提供高達1.5A電流,如紅色燈、煞車燈和信號燈等。雖然最大輸出電壓被箝位在與LT3474相同的13.8V位準,LT3475最大功率輸出能力卻可達三倍高。利用圖7的擴展調光比例電路,PWM調光比例也更佳—1,200:1或更高。藉由較低的最小調光致動週期所達成的PWM調光技術改善,也使此款IC實現極佳汽車和夜間調光表現,同時維持與100%工作週期相同的真實色彩。每路的獨立類比VADJ調光比例為30:1(50mA LED電流)。為了降低內部功耗,每路的升壓二極體都從IC內移除。


圖7:擴展調光比例電路可提升PWM調光比例。

相較於LT3474,LT3475提供三倍功率能力、相同的關機電流、相同個開關頻率範圍、稍高的輸入電壓(正常操作36V,最大40V)、更高調光比例、更高LED電流和些微放大的封裝(20-接腳和16-接腳外露散熱焊點TSSOP),使其成為高功率方案的一個最佳選擇。此外,LT3475的兩通道反相切換,可降低源端所感受的輸入漣波,限制對額外高電壓輸入電容的需求。

本文小結

特殊電子子系統的快速成長,以及現在/未來車款逐漸採行LED作為照明源的趨勢,對車用電源IC帶來極嚴格的效能需求。依據電源供應器是用於汽車的哪一個電源處,有可能蒙受負載突降和冷啟動等狀況。對於要求高電壓和‘Always-On’低靜態電流操作的汽車系統而言,LT3481是一個理想的解決方案。此外,其高開關頻率能力與小型化解決方案的接腳佔位,使其能以一個非常有效和精巧的尺寸工作。

對於汽車LED照明應用,LT3474和LT3475是高電壓、高電流降壓LED驅動器的絕佳選擇。此高度整合IC可降低元件數和板面空間,同時還提供彈性特質,例如可調式的LED電流、PWM調光和可調的工作頻率。精確的LED電流穩定能力使這些IC優於其它DC/DC電壓穩壓器或LED驅動器,高達88%的效率,搭配小於2μA的關機電流更可節省電池電力並延長其壽命。

作者:Jeff Gruetter

產品行銷工程師

凌力爾特公司




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