新款的汽車采用越來(lái)越多精密的電子零件。這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)清楚顯示芯片廠商開(kāi)發(fā)新芯片時(shí)，將會(huì)面對(duì)很多新的挑戰(zhàn)。汽車電子系統(tǒng)的操作環(huán)境極為惡劣，例如汽車的使用期較長(zhǎng)，操作的溫度范圍較為廣闊，此外，還有電磁干擾和電磁兼容性以至機(jī)械性能等問(wèn)題需要解決。換言之，“芯片產(chǎn)品的整體成本承受很大的壓力，但技術(shù)上又要像軍用產(chǎn)品那樣必須符合嚴(yán)格的要求”。價(jià)格是另一個(gè)越來(lái)越備受關(guān)注的問(wèn)題。出廠的汽車必須安全可靠，能長(zhǎng)時(shí)間保持的性能狀態(tài)，才可滿足車主的要求。汽車的設(shè)計(jì)周期必須縮短，以確保新車可以盡快推出市場(chǎng)。

　　本文將會(huì)集中討論如何為汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本低廉的電源供應(yīng)器，文中會(huì)深入討論系統(tǒng)的設(shè)計(jì) (及重新設(shè)計(jì))、可靠性以及芯片成本等問(wèn)題，并探討有關(guān)問(wèn)題的解決辦法。

1 設(shè)計(jì)流程

　　美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體很早便已推出一套用途非常廣泛的WEBENCH網(wǎng)上設(shè)計(jì)工具，以協(xié)助系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)電源供應(yīng)器。自從這個(gè)網(wǎng)站面世以來(lái)，很多公司爭(zhēng)相仿效。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師即使對(duì)電源供應(yīng)器的設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)不深，也可將及輸入電壓、輸出電壓及電流、溫度范圍等設(shè)計(jì)參數(shù)輸入 WEBENCH 網(wǎng)頁(yè)，讓網(wǎng)上的設(shè)計(jì)軟件為他們挑選一些切合其設(shè)計(jì)需要的電源管理芯片。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師跟著可以從這些芯片之中挑選切合他們需要的一款，其中包括推出內(nèi)含電源開(kāi)關(guān)及控制器的Simple Switchers系列開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器芯片。芯片選定之后，WEBENCH 的設(shè)計(jì)軟件接著會(huì)為工程師提供一個(gè)附有電路圖的系統(tǒng)解決方案，以便工程師可以利用電路圖進(jìn)行模擬測(cè)試，以測(cè)試系統(tǒng)的電子特性以至其散熱能力。

　　WEBENCH網(wǎng)上設(shè)計(jì)工具非常容易使用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師只要利用這套設(shè)計(jì)工具便可迅速完成電源供應(yīng)器的設(shè)計(jì)。這個(gè)設(shè)計(jì)網(wǎng)站的數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存了數(shù)百款芯片的資料。所有設(shè)計(jì)工具都可支持多種不同的結(jié)構(gòu)。工程師完成設(shè)計(jì)之后，可將整份設(shè)計(jì)傳送給有關(guān)的同事或供應(yīng)商以供他們參考。他們甚至可以在網(wǎng)上訂購(gòu)模板，供應(yīng)商保證有關(guān)產(chǎn)品幾日內(nèi)便可送到客戶手中。所需的分立元件也會(huì)跟模板一并寄出，工程師只需將分立元件焊在電路板上便可，這樣可確保產(chǎn)品更快推出市場(chǎng)。

　　使用這套設(shè)計(jì)工具無(wú)需繳付非常昂貴的模擬測(cè)試授權(quán)費(fèi)。由確定技術(shù)參數(shù)至電路布局的構(gòu)思，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程都可獲得支持。工程師可以挑選合適的芯片進(jìn)行電子及熱能方面的模擬測(cè)試。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師只要采用這套設(shè)計(jì)工具，便可節(jié)省設(shè)計(jì)及調(diào)試時(shí)間，換言之，這套設(shè)計(jì)工具可為公司節(jié)省更多開(kāi)發(fā)成本。此外，許多公司雖然擅長(zhǎng)設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)，但對(duì)電源供應(yīng)器的設(shè)計(jì)反而認(rèn)識(shí)不深。以往他們可能需要聘請(qǐng)外面的顧問(wèn)公司才可完成這方面的工作。但現(xiàn)在他們只要采用 WEBENCH 設(shè)計(jì)工具，便無(wú)需尋求外援，使這方面的開(kāi)支也可節(jié)省下來(lái)。

2 新時(shí)代、新挑戰(zhàn)

2.1 靜態(tài)電流

　　汽車工業(yè)的發(fā)展一日千里，新的挑戰(zhàn)不斷涌現(xiàn)。例如，汽車電子系統(tǒng)所要求的靜態(tài)電流標(biāo)準(zhǔn)也越趨嚴(yán)格。越來(lái)越多汽車制造商要求芯片供應(yīng)商為他們提供靜態(tài)電流低于 100uA 的 ECU 芯片。汽車廠商是有這個(gè)實(shí)際需要的，因?yàn)殪o態(tài)電流若果不夠低，汽車在連續(xù)停泊數(shù)星期之后，車內(nèi)的電池便會(huì)因多日不用而無(wú)法重新啟動(dòng)。解決這個(gè)問(wèn)題的其中一個(gè)方法是縮短電池與 ECU 芯片之間的供電線路。但啟動(dòng)這個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器仍然會(huì)耗用一定的電量，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器采用金屬氧化半導(dǎo)體 (MOS) 技術(shù)制造，而開(kāi)關(guān)啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生小量電阻。由于要輸出大量電流，因此需要裝設(shè)許多開(kāi)關(guān)，令耗電量也相應(yīng)大增。這個(gè)方案極少采用的原因亦在于此。

2.2 負(fù)載傾卸

　　第二個(gè)要面對(duì)的問(wèn)題是負(fù)載傾卸 ，解決的方法則完全不同。以往美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的客戶都要求芯片必須設(shè)有過(guò)壓保護(hù)功能。但目前越來(lái)越多汽車電子系統(tǒng)，例如駕駛盤動(dòng)力操控系統(tǒng)，早在燃點(diǎn)引擎時(shí)便已開(kāi)始操作，因此芯片必須能夠在負(fù)載傾卸時(shí)正常運(yùn)作。正因如此，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體目前正為低壓降穩(wěn)壓器系列的其中幾個(gè)型號(hào)重新加設(shè)這個(gè)過(guò)壓保護(hù)功能。大受歡迎的 LM9070、LM9071 及 LM9072 芯片便是設(shè)有這個(gè)功能的幾款低壓降穩(wěn)壓器。這些產(chǎn)品的型號(hào)之后都加上 HV 兩個(gè)字母作為識(shí)別，以表示這是輸入電壓范圍更為廣闊的版本。

2.3 42伏供電總線

　　預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年內(nèi)，新推出的汽車都會(huì)采用 42 伏 (V) 的供電總線。采用 42 伏供電總線的好處是可以減低汽車的耗電量及電纜的重量。但供電電壓若提高至 42 伏，電源供應(yīng)器的轉(zhuǎn)換效率便會(huì)下降，結(jié)果是得不償失。

2.3.1 42 伏 - 效率方面的考量

　　我們?nèi)衾?3.3 伏 (V) 的電池為電子系統(tǒng)提供所需的 100mV 供電，系統(tǒng)的實(shí)際功耗只有 330mW。低壓降穩(wěn)壓器芯片若利用 12 伏電池的供電，那么即使不將靜態(tài)電流計(jì)算在內(nèi)，系統(tǒng)的整體功耗也不會(huì)少于 12V*100mA = 1.2W。以采用 42 伏電池的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)功耗便相等于 42V*100mA = 4.2W。換言之，低壓降穩(wěn)壓器若利用 42 伏的電池為電子系統(tǒng)提供穩(wěn)壓供電，其效率比利用傳統(tǒng)的 12 伏電池低 3 倍以上。低壓降穩(wěn)壓器的效率與輸出電壓/輸入電壓 (Vout/Vin) 成正比，其效率等于(Vout*Iout)/(Vin* (Iout+Iq))。但降壓直流/直流轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率會(huì)更高。LM2675 芯片若以 12 伏的輸入電壓操作，準(zhǔn)確度可高達(dá) 90%，若以 40 伏的輸入電壓操作，準(zhǔn)確度則高達(dá) 82%。LM5007 芯片的轉(zhuǎn)換效率可高達(dá) 93%。

2.3.2 42 伏 - 功率耗散方面的考量

　　低壓降穩(wěn)壓器芯片的效率很低，較易造成能源的浪費(fèi)，而且所耗散的能量會(huì)積聚一起，令周圍環(huán)境受熱，以致芯片的接面溫度也會(huì)隨著上升。我們可以利用以下的公式計(jì)算出溫度的大約上升幅度：

2.3.3 42 伏 - 可滿足未來(lái)需要的芯片設(shè)計(jì)

　　審慎的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該放眼將來(lái)，力求能滿足未來(lái)一代的需要。他們應(yīng)該由現(xiàn)在開(kāi)始便挑選可以支持 42 伏電池的穩(wěn)壓器，以免幾年后需要由零開(kāi)始重新設(shè)計(jì)電源供應(yīng)系統(tǒng)。LM2936HV 低壓降穩(wěn)壓器芯片與 LM295X 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器芯片是專為 42 伏供電總線而設(shè)計(jì)的，這兩系列穩(wěn)壓器芯片以及相關(guān)的全新零配件都在 https://www.national.com/appinfo/automotive/42V.html 這個(gè)網(wǎng)頁(yè)上有詳細(xì)的介紹。為方便進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以便可以充分利用 42 伏供電總線的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師先征詢芯片供應(yīng)商的意見(jiàn)，看看供應(yīng)商的芯片產(chǎn)品是否可以通過(guò)改造工程為 42 伏的新技術(shù)提供支持。

3 應(yīng)用范圍 - 氣袋的電源供應(yīng)系統(tǒng)

　　即使是小型的汽車目前都設(shè)有 6 個(gè)氣袋，而且所采用的安全標(biāo)準(zhǔn)要求極高。負(fù)責(zé)為氣袋充氣的是一款稱為爆發(fā)驅(qū)動(dòng)器的特別芯片。這款確保汽車安全的芯片必須能夠在撞車的緊急關(guān)頭時(shí)立即啟動(dòng)。按照?qǐng)D 2 所示，氣袋系統(tǒng)基本上由多個(gè)部分組成。

　　爆發(fā)驅(qū)動(dòng)器設(shè)于車廂之內(nèi)，而電池則設(shè)于車頭蓋之下。撞車時(shí)，爆發(fā)驅(qū)動(dòng)器與電池之間的線路連系可能會(huì)因?yàn)樽矒舳鴶嚅_(kāi)，因此安全電容器一般會(huì)設(shè)于爆發(fā)驅(qū)動(dòng)器的傍邊，以便驅(qū)動(dòng)器的附近有足夠的儲(chǔ)電可以提供動(dòng)力，為氣袋充氣。

　　以下簡(jiǎn)單介紹氣袋系統(tǒng)的充氣過(guò)程。氣袋系統(tǒng)設(shè)有升壓轉(zhuǎn)換器。一般來(lái)說(shuō)，這些升壓轉(zhuǎn)換器都采用 sepic 或回掃配置。進(jìn)行充氣之前，氣袋系統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)換器會(huì)先將電池電壓 (Vbat) 提高 (這個(gè)電池電壓在負(fù)載傾卸時(shí)可高達(dá) 40 伏)，直至達(dá)到安全電壓 (Vsafe) 要求的水平，這樣可確保安全電容器儲(chǔ)存大量電能。之后，才將這個(gè)較高的安全電壓調(diào)低至幾伏，這個(gè)較低的電壓稱為遠(yuǎn)程電壓 (Vremote)。這個(gè)充氣準(zhǔn)備程序必須嚴(yán)格依從，以確保其后幾級(jí)的低壓降穩(wěn)壓器出現(xiàn)較少壓降。壓降幅度越少，功率耗散也就越少，效率也就越高。

　　由于 Vremote 的數(shù)值較低，其后幾級(jí)的低壓降穩(wěn)壓器即使并不屬于汽車級(jí)別的產(chǎn)品，其輸入電壓范圍也可滿足有關(guān)的要求。LP2985 系列芯片便屬于這類的穩(wěn)壓器，其輸入電壓高達(dá) 16 伏，輸出電流為 150mA，接面溫度可高達(dá) 125度，適用于大部分的應(yīng)用場(chǎng)合。

　　LM9076 穩(wěn)壓器芯片則適用于更高溫的操作環(huán)境，其接面溫度可高達(dá) 150度。這款穩(wěn)壓器可利用 8 伏的輸入電壓輸出 150mA 的電流及 5 伏的電壓。在額定的操作溫度及負(fù)載范圍內(nèi)，這款穩(wěn)壓器芯片可以保持極高的輸出電壓準(zhǔn)確度 (高達(dá) 2%)。由于這個(gè)結(jié)構(gòu)采用了安全電容器，因此操作時(shí)更為安全可靠。從成本的角度看，采用遠(yuǎn)程低壓降穩(wěn)壓器無(wú)需加設(shè)任何散熱器，因此有助節(jié)省成本。由于 Vsafe大于Vbat (值)，而轉(zhuǎn)換器可用作升壓轉(zhuǎn)換器，因此無(wú)需采用布局較為復(fù)雜的 sepic 或回掃式 的轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器適用于降壓穩(wěn)壓器，后者成本也較低。由于低壓降穩(wěn)壓器無(wú)需利用高壓電源，因此有多種不同的 CMOS 或低電壓雙極芯片可供選擇。

4 應(yīng)用 - 有多個(gè)不同電壓輸出可供選擇

　　我們?nèi)舨捎瞄_(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器作為輸入級(jí)，再以多個(gè)低壓降穩(wěn)壓器提供輸出，便可減低電源供應(yīng)系統(tǒng)的整體成本。高功率的電源供應(yīng)系統(tǒng)甚至必須采用這樣的設(shè)計(jì)。圖 4 是其中一個(gè)示例。

　　確定理想的地區(qū)電壓 (Vlocal) 時(shí)，必須詳細(xì)考量以下各參數(shù)：

　　• Vlocal 必須低至可以確保低壓降穩(wěn)壓器不會(huì)耗散太多功率
　　• 只有在整體電壓超過(guò)指定壓降的情況下低壓降穩(wěn)壓器才會(huì)將電壓穩(wěn)定下來(lái)，因此 Vlocal 必須比 Vx + VDox 高。

5 總結(jié)

　　電源供應(yīng)器若采用恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，將有助減低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的總體成本。若應(yīng)用環(huán)境極為惡劣，例如在電池電壓、輸出電流以及溫度等都處于極高水平的情況下，我們必須考慮采用多轉(zhuǎn)換級(jí)的結(jié)構(gòu)。目前市場(chǎng)上有很多專為汽車電源供應(yīng)系統(tǒng)而設(shè)的穩(wěn)壓器芯片可供選擇。采用 WEBENCH 等的網(wǎng)上設(shè)計(jì)工具也有助減低設(shè)計(jì)成本以及縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。汽車廠商都希望縮短新車的設(shè)計(jì)周期，因此穩(wěn)壓器芯片將會(huì)更受汽車廠商的歡迎。即使是同一輛汽車，不同的子系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)也各有不同的局限，因此設(shè)計(jì)這些電子系統(tǒng)的工程師必須對(duì)這方面有相當(dāng)?shù)恼J(rèn)識(shí)。