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基于开关稳压器的汽车导航系统电源设计方案解析
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2017-11-26
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现代汽车不断增加越来越复杂的电子系统。市场调研公司 Allied Business Intelligence 预测，到 2007 年，汽车半导体市场将增长到一年超过 170 亿美元，而去年这一市场为 123 亿美元。另一家市场调研公司 Strategy Analytics 也持有同样乐观的看法：目前在一般的汽车中，电子系统成本占总成本的 20% 多，但是到 2008 年，这一比例将增长到超过 30%。防撞雷达、自适应巡航控制、轮胎压力监视、导航系统、免提蜂窝电话和其它无线连接以及生物识别访问系统都是这些电子系统的具体例子。
不过，一个有极大增长的领域是基于 DVD/HDD 的导航系统。这类系统 1997 年推出，预计 2005 年全球销量将超过 1300 万台。就任何类型的电子产品而言，汽车应用环境都一直是非常严酷的，这并不让人感到意外。宽工作电压范围要求加上高瞬态电压和大的温度变化给电子系统很大的难题。更严重的是，性能要求不断增高，而且系统不同的部分需要多种不同的电源电压。
今天生产的大多数中高档汽车都将基于 DVD 的GPS 导航系统作为标准设备提供。然而，设计一个处理这类系统中所有不同电压轨的电源可能像为笔记本 PC 设计电源系统一样复杂。一般的导航系统可能有 6 个或更多不同的电源，这包括 8V、5V、3.3V、2.5V、1.5V 和 1.2V 电源。8V 用于为旋转光盘的 DVD 电动机供电，这通常需要高达 2A 的峰值电流。5V 和 3.3V 电源轨一般用于系统总线，通常需要分别提供 2A ~ 3A 的电流。存储器和 I/O 都需要 2.5V 电源轨，因此 1A ~ 2A 的电流足够了。1.5V 和 1.2V 电源轨分别用于为 CPU 内核和 DSP 内核供电。这两个轨的功率通常分别为 3W~5W。图1显示了具有内置导航系统的汽车内部情况。
同时，随着这些系统中的组件数增多，可用空间也越来越小了。因此，既然任何实际的散热系统都太大，无法轻易容纳到电子系统中，那么在空间限制和工作温度范围这些先决条件下，转换效率就变得更关键了。在低输出电压和甚至高于几百毫安的中等电流时，简单地用线性稳压器产生这些系统电压不再有实际意义。因此，在过去几年中，主要由于热量限制，开关稳压器一直在不断地取代线性稳压器。开关的好处包括效率提高和占板面积减小，与额外的复杂性和 EMI 问题相比，还是利大于弊的。
考虑到这些限制因素，一个开关稳压器用于汽车导航系统时，需要具有以下特点：
● 宽输入工作范围
● 在宽负载范围内的高效率
● 在正常工作、备用和停机时具有低静态电流
● 低热阻
● 噪声和 EMI 辐射最低
● 负载突降抗毁性
让我们来更详细地逐一考虑这些重要特性。
宽输入工作范围
任何开关稳压器都需要规定工作在 3V~60V的宽输入电压范围，以确保满足“冷车发动”和“负载突降”情况的要求。宽输入电压范围还有一个附加的好处：允许这些汽车系统在14V或42V电压上工作。而且，60V额定值为14V系统提供了良好的裕度，这种系统通常箝位在36V~40V的范围。
效率
在大多数汽车系统中，宽负载范围内的高效率电源转换都是极其重要的。例如，在10mA ~ 2.5A的负载范围内，5V输出希望的电源转换效率大约为 85%。在大电流时，内部开关需要有良好的饱和度，一般在 3A 时为 0.1Ω。为了提高轻负载时的效率，要降低驱动电流或者让驱动电流与负载电流成正比。内部控制电路也可以通过偏置引脚供电，而偏置引脚可以由输出供电。这利用了降压转换器的电源转换效率。实际上，这个偏置电流是从输出而不是输入获得的，这就按照输出与输入电压比降低了控制电路所需的输入电源电流。例如，一个在3.3V时为100mA 的输出电流在12V时仅需要平均 30mA 的输入电流。这最大限度地降低了控制电路所需的输入电流，并提高了轻负载时的效率。
低静态电流
有很多汽车系统应用需要连续功率，甚至在汽车停车后也是这样。这些应用的一个关键要求是低静态电流。在输出电流降至低于大约 100mA 之前，这种应用设备会一直以正常的连续开关模式工作。低于这一电流值以后，开关稳压器必须进行脉冲跳跃以维持稳定电压。稳压器在脉冲之间可以进入休眠模式，在这种模式中，只对部分内部电路供电。在轻负载电流时，开关稳压器需要自动切换到突发模式工作。就 12V~3.3V 的转换器而言，在这种模式中，静态电流应该降至低于100mA。内部基准和电源良好电路在休眠模式时将保持运行以监视输出电压。静态电流在停机时应该低于1mA。
不过，一个有极大增长的领域是基于 DVD/HDD 的导航系统。这类系统 1997 年推出，预计 2005 年全球销量将超过 1300 万台。就任何类型的电子产品而言，汽车应用环境都一直是非常严酷的，这并不让人感到意外。宽工作电压范围要求加上高瞬态电压和大的温度变化给电子系统很大的难题。更严重的是，性能要求不断增高，而且系统不同的部分需要多种不同的电源电压。
今天生产的大多数中高档汽车都将基于 DVD 的GPS 导航系统作为标准设备提供。然而，设计一个处理这类系统中所有不同电压轨的电源可能像为笔记本 PC 设计电源系统一样复杂。一般的导航系统可能有 6 个或更多不同的电源，这包括 8V、5V、3.3V、2.5V、1.5V 和 1.2V 电源。8V 用于为旋转光盘的 DVD 电动机供电，这通常需要高达 2A 的峰值电流。5V 和 3.3V 电源轨一般用于系统总线，通常需要分别提供 2A ~ 3A 的电流。存储器和 I/O 都需要 2.5V 电源轨，因此 1A ~ 2A 的电流足够了。1.5V 和 1.2V 电源轨分别用于为 CPU 内核和 DSP 内核供电。这两个轨的功率通常分别为 3W~5W。图1显示了具有内置导航系统的汽车内部情况。
同时，随着这些系统中的组件数增多，可用空间也越来越小了。因此，既然任何实际的散热系统都太大，无法轻易容纳到电子系统中，那么在空间限制和工作温度范围这些先决条件下，转换效率就变得更关键了。在低输出电压和甚至高于几百毫安的中等电流时，简单地用线性稳压器产生这些系统电压不再有实际意义。因此，在过去几年中，主要由于热量限制，开关稳压器一直在不断地取代线性稳压器。开关的好处包括效率提高和占板面积减小，与额外的复杂性和 EMI 问题相比，还是利大于弊的。
考虑到这些限制因素，一个开关稳压器用于汽车导航系统时，需要具有以下特点：
● 宽输入工作范围
● 在宽负载范围内的高效率
● 在正常工作、备用和停机时具有低静态电流
● 低热阻
● 噪声和 EMI 辐射最低
● 负载突降抗毁性
让我们来更详细地逐一考虑这些重要特性。
宽输入工作范围
任何开关稳压器都需要规定工作在 3V~60V的宽输入电压范围，以确保满足“冷车发动”和“负载突降”情况的要求。宽输入电压范围还有一个附加的好处：允许这些汽车系统在14V或42V电压上工作。而且，60V额定值为14V系统提供了良好的裕度，这种系统通常箝位在36V~40V的范围。
效率
在大多数汽车系统中，宽负载范围内的高效率电源转换都是极其重要的。例如，在10mA ~ 2.5A的负载范围内，5V输出希望的电源转换效率大约为 85%。在大电流时，内部开关需要有良好的饱和度，一般在 3A 时为 0.1Ω。为了提高轻负载时的效率，要降低驱动电流或者让驱动电流与负载电流成正比。内部控制电路也可以通过偏置引脚供电，而偏置引脚可以由输出供电。这利用了降压转换器的电源转换效率。实际上，这个偏置电流是从输出而不是输入获得的，这就按照输出与输入电压比降低了控制电路所需的输入电源电流。例如，一个在3.3V时为100mA 的输出电流在12V时仅需要平均 30mA 的输入电流。这最大限度地降低了控制电路所需的输入电流，并提高了轻负载时的效率。
低静态电流
有很多汽车系统应用需要连续功率，甚至在汽车停车后也是这样。这些应用的一个关键要求是低静态电流。在输出电流降至低于大约 100mA 之前，这种应用设备会一直以正常的连续开关模式工作。低于这一电流值以后，开关稳压器必须进行脉冲跳跃以维持稳定电压。稳压器在脉冲之间可以进入休眠模式，在这种模式中，只对部分内部电路供电。在轻负载电流时，开关稳压器需要自动切换到突发模式工作。就 12V~3.3V 的转换器而言，在这种模式中，静态电流应该降至低于100mA。内部基准和电源良好电路在休眠模式时将保持运行以监视输出电压。静态电流在停机时应该低于1mA。
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