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車用電源 IC 之新應用及挑戰
 

【作者: Jeff Gruetter】   2007年08月21日 星期二

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每年,車用裝置持續不斷地導入複雜的電子系統,以提高舒適度、安全性及效能,並同時將可能產生傷害的程度降至最低。IC Insights 便預測,汽車半導體市場將從2006年的140億美元攀升至2008年的181億美元以上。而另一市調公司Strategy Analytics也抱持相同的正面觀點:今日,電子系統的成本分擔已超過一輛汽車典型成本的22%以上,且此數據將於2008年躍升至30%以上。


約在五年前,這些電子系統的典型實例,如車內娛樂系統、安全系統、引擎管理、防碰撞雷達、衛星無線電和TV、LED照明、免持手機以及其它無線連接元件等,只有在高檔的歐洲豪華車款才能見到,但這些系統現已被汽車製造商視為主流車款的標準配備,因而正加速著汽車IC的快速成長。


其中一項新興的電子應用,來自引擎控制管理。隨著全球相關標準越趨嚴苛,對於汽油行駛哩程數的要求越來越高,消費者的需求甚至高於效能。 一旦這些要求彼此衝突時,採用「智慧型」引擎控制系統,以透過各式感測器及無數DSP,將使汽車製造商能以更乾淨的引擎獲得更高層次的引擎效益。相關電子也形成了在安全、溫度控制、照明、導航及無線連接,以及底盤控制系統上的革新。與此同時,這些新系統也為駕駛者及整體環境提升了安全性、效能及舒適度。


這些系統所運用的元件數不斷增加,但可獲得的空間卻持續被壓縮,因而也大幅增加了每一系統的電子密度。所有這些系統均需要電源轉換IC,通常針對每個次系統具備多重電源端。對於效率及小尺寸並非主要考量的應用而言,線性穩壓器提供主要的電源轉換;但由於高電源密度的增加,及許多應用要求相關的高週遭溫度,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,因其會產生太多的熱。這些限制的結果,造成以開關式穩壓器取代線性穩壓器。開關式穩壓器的好處包含效率的提升、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。


本文主要目的,在探討這些新汽車應用電源IC如何符合所有環境所提出的新需求,這些需求在汽車環境中,對於任何IC的電氣特性及耐熱性都是嚴苛的。


《圖一 36V負載突降狀態及冷啟動狀態》
《圖一 36V負載突降狀態及冷啟動狀態》

針對低供應電流提供「Always-On」系統

除了負載突降及冷啟動要求,許多電子次系統都被要求以「待機模式」操作以消耗最低的靜態電流。這些電路可見於大部分導航、安全、保安及引擎管理電子電源系統,每個次系統均可使用數個微處理器及微控制器。事實上,大部分豪華車款便內建多達60至100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)」的狀態,因此會從電池汲取電源。由於有多達30顆用於導航、保全、空調控制和引擎管理系統的這類「Always-On」處理器之存在,導致對引擎停止運轉後的持續電力需求有著日益增加的趨勢。


同樣的,驅動這些「Always-On」處理器需要數百毫安培(mA)的供應電流,而這些微處理器可能在幾天的時間內便完全耗盡一顆電池電力,例如2~3週的商務旅行後,豪華汽車內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降低,以保持電池壽命,且不大量增加電子系統之尺寸或複雜度。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,例如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。


為了更完善管理這些電力需求,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。凌力爾特的36V至60V輸入電壓範圍、小於100μA的降壓DC/DC轉換器系列,如(表一)所示,具備Burst Mode操作的開關穩壓器為「Always-On」問題提供了極精小和有效率的解決方案。


《圖二 60V負載突降狀態及冷啟動狀態》
《圖二 60V負載突降狀態及冷啟動狀態》

負載突降狀況和冷啟動狀況

「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。其發生原因可能是汽車運作時電池電線的鬆弛,或汽車行進時電池電線的斷裂。電池電線的突然斷開會造成達60V的瞬變電壓突波(請見圖一及圖二,相關的36V及60V瞬變),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,並且吸收大部分的湧浪電流;然而,發電機下游的DC/DC轉換器卻也接收了這36V到60V的瞬間突波。因為這些轉換器以及其所供電的次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間突波便顯得相當重要。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4.0V,之後電壓便會回升到12至13.8V(請見圖一)。對於某些應用,如引擎控制、安全及導航系統等需求穩定輸出電壓(通常為3.3V)而言,能完好地歷經冷啟動過程而工作是相當必要的。



《圖三a LT3480架構圖》
《圖三a LT3480架構圖》
《圖三b LT3480效率圖》
《圖三b LT3480效率圖》

可用方案

根據輸出電流及瞬間保護所需之位準,凌力爾特具有幾個能操作於冷啟動及負載突狀狀態的開關穩壓器,並只需少於100μA的靜態電流,請見(表一)。其中一個很好的實例,是LT3480,其為一款2A、38V降壓開關穩壓器,具備達60V之輸入瞬間保護。在無負載待機狀態時,Burst Mode操作能使靜態電流保持在70μA以下。


LT3480的3.6V至38V輸入電壓範圍及60V瞬間保護,使其成為汽車應用常見之負載突降及冷啟動狀態的理想選擇。如表一所示,LT3480可於36V瞬間變化時穩壓3.3V輸出。如圖二所示,LT3480可於超過41.5V時自動關機,以提供自我及電路下游元件之保護。當瞬間變化降至38V以下時,LT3480 將回復到穩壓狀態。


此外,其3A內部開關可提供達2A的連續輸出電流至低至0.79V的電壓。LT3480的Burst Mode操作,提供僅70μA(請見圖三)的無負載靜態電流,非常適合於要求「Always-On」操作和最佳電池壽命的汽車、或電訊系統等應用。其開關頻率可由用戶設定,範圍從200kHz到2.4MHz,讓設計人員可最佳化效率外,還可避開雜訊敏感頻帶 。結合3mm×3mm DFN-10封裝(或熱強固型MSOP-10E)與高開關頻率,使外部電感和電容尺寸得以縮小,而提供一個非常精小、而能有效散熱的接腳佔位。


《圖四 LT3480無負載靜態電流vs.輸入電壓》
《圖四 LT3480無負載靜態電流vs.輸入電壓》

LT3480使用一個高效率3A、0.5Ohm開關,並將必要的升壓二極體、振盪器、控制與邏輯電路全整合至單一晶粒內。低漣波Burst Mode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製程,能於寬廣的輸入電壓範圍均達到高效率,其電流模式架構則展現快速瞬間變化響應和絕佳迴路穩定性。其它特性尚包含外部同步化(從250kHz至2MHz)、電源良好標誌和軟啟動能力。


(表一) 高壓、低靜態電流開關穩壓器

Part No

Device Architecture

VIN? ?Range

IOUT(A)

Frequency

IQ

Package

LT3437/8

Step-Down Regulator

3.3V to 80V

0.40

200/500kHZ

100μA

DFN-10

LT3433

Buck-Boost Regulator

4V to 60V

0.40

200kHZ

100μA

TSSOP-16E

LT1976/7

Step-Down Regulator

3.3V to 60V

1.25

200/500kHZ

100μA

TSSOP-16E

LT3480

Step-Down Regulator

3.6 to 38V, 60VMAX

2.00

200kHz to 2.4MHz

70μA

3x3 DFN-10, MSOP-10E

LT3481

Step-Down Regulator

3.6 to 34V, 36VMAX

2.00

300kHz to 2.8MHz

50μA

3x3 DFN-10, MSOP-10E

LT3681

Step-Down Regulator

3.6 to 34V, 36VMAX

2.00

300kHz to 2.8MHz

50μA

3x4 DFN-14

LT3434/5

Step-Down Regulator

3.3V to 60V

2.50

200/500kHZ

100μA

TSSOP-16E


汽車環境中的熱限制

除了汽車應用中嚴苛的電子環境,高溫也是一項挑戰。由於許多電子零件分享汽車電路板中的主要資源,因此熱管理顯得相當重要。引擎蓋下的相關應用典型需要125℃或更高的週遭溫度,而主要的電子設施如導航/資訊娛樂系統、電表均面臨著高溫的挑戰,因為這些系統都相當靠近汽車的絕熱板,其具備高周遭溫度及非常高的電子密度。所有電子均會因熱而耗損相當多的電源,而在電源轉換器中對於熱的管理,最主要是最大化每個轉換器的效率,使功耗與熱降至最低。過去幾年來,這是以開關穩壓器取代LDO的主要原因之ㄧ。


除特定元件效率外,每個電源轉換器元件擁有非常具散熱效率的封裝,以將熱從IC中傳導出去。凌力爾特透過將汽車零件置入最具熱效益的封裝中,達成了這項目的。以無鉛封裝而言,如DFN及MSOP與TSSOP封裝均擁有散熱強化設計,其於封裝底部置入導熱墊而能降低2倍熱阻抗。


為符合大部分高溫應用之需求,如引擎蓋下之相關應用。凌力爾特提供了「H」等級轉換器系列產品,其能以140℃或150℃(依據各元件不同)接面溫度操作。完整的產品表列請見(表二)。


舉例而言,一個執行於12V的應用,可提供穩壓5V、及1A輸出電流,一個僅提供41%效率之LDO,將消耗7W功率,其需要實質散熱片以避免熱失誤,甚至是在80℃時。相反的,如LT3480(圖四)之開關穩壓器,其效率達90%,將只消耗外部0.5W功率。透過TSSOP-16E所擁有的45℃/WthetaJA ,所造成的溫升為22.5℃,因此能針對工業等級元件(125℃)操作於102.5℃周遭溫度,以及針對「H」等級額定元件操作於137.5℃周遭溫度。


(表二) H等級電源穩壓器

Part Number

VIN Range

Output Current

Topology

TJ(MAX) ℃

Package

LT3010H/-5

3V to 80V

50mA

LDO

140

MSOP-8E

LT3012/3H

4V to 80V

200mA

LDO

140

DFN-12

LT3470H

4V to 40V

300mA

Buck Converter

150

2x3 DFN-8

LT3437H

3.3V to 60V, 80V Transients

500mA

Buck Converter

140

3x3 DFN-10,??????? TSSOP-16E

LT1933H

3.6V to 36V

600mA

Buck Converter

150

2x3 DFN-6

LT1766H

5.5V to 60V

1.25A

Buck Converter

140

TSSOP-16E

LT1976H

3.3V to 60V

1.25A

Buck Converter

140

TSSOP-16E

LT1936H

3.6V to 36V

1.4A

Buck Converter

150

MSOP-8E

LTC3803H-5

6V to 72V

3A

FlyBack Controller

150

ThinSOT

LTC1772H

2.5V to 9.8V

5A

Buck Controller

140

ThinSOT

LTC1871H

2.5V to 36V

10A

FlyBack Controller

150

MSOP-10

LTC3731H

4.5V to 36V

60A

Sync Buck Controller

140

SSOP-36


結論

在汽車應用中,特殊電子次系統的快速成長對車用電源 IC 帶來了極嚴格的效能需求。從電源供應器操作於汽車電源匯流排何處,將決定其可能面臨負載突降和冷啟動、以及高周遭溫度之狀況。此外,某些這類系統更被要求以「Always-On」、待機模式等操作以消耗最小的供應電流。由於汽車中的電子系統不斷增加,因此如何將方案接腳佔位減至最小、並將散熱效益達到最高,將是成功關鍵。幸運的是,某些電源IC製造者創造出了能符合這些需求的解決方案,為未來車款之更高階電子系統提供了最佳方案。


---作者為Linear凌力爾特產品行銷工程師---


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