现代
汽车不断采用越来越复杂的电子系统。而且汽车环境对各类电子设备而言依然恶劣。工作电压范围必须宽,瞬态电压很高,温度偏移量很大,这些条件使得电子系统的日子很难过。此外,性能要求也日趋严格。系统的不同部分需要多种电源电压。典型的导航系统可能具备至少6种电源,包括8.5V、5V、3.3V、2.5V、1.5V和1.2V。同时,随着部件的增加,空间要求继续收缩。因此,在空间限制和温度需求等因素下,效率在空间受限系统中变得更加关键。当输出电压较低,电流电平超过几百毫安时,使用线性稳压器来生成这些系统电压已经不切实际。因此在过去几年中,主要由于散热限制原因,开关稳压器逐步取代线性稳压器。开关稳压器的好处(包括更高效率、更小尺寸等)胜过了额外的复杂性和EMI考虑因素。
汽车环境中的开关稳压器需要较宽的输入电压-工作电压范围、宽负载范围内的较高效率、正常工作/待机/关闭时的较低静态电流、较小的热阻,以及最小的噪音和EMI发射量。
任何开关稳压器均需要一定的规格,以便在3V~60V的较宽输入电压范围内工作,并在那些能靠14V或42V运行的汽车系统中找到用武之地。60V额定电压为那些箝位电压通常为36V~40V的14V系统提供了良好的裕量。而且这能在未来的42V系统中使用这种器件。因此,可以很容易将面向14V系统的设计升级为面向42V系统的设计,而无需进行重大的重新设计。
在较宽负载范围内的高效率
电力转换对于大部分汽车系统都十分重要。例如,对于10mA~1.2A负载范围内的5V输出,可能会期望电力转换效率达到85%左右。电流较大时,内部开关需要良好的饱和性能——典型情况下,1A时为0.2Ω。为了改善轻载效率,驱动电流要比负载电流小,或与之成正比。此外,偏置引脚(输出能为其供电)可以为内部控制电路供电,从而充分利用降压转换器的电力转换效率。这一偏置电流来自输出(而非输入),这降低了控制电路的输入电源电流,其降低比例为输出电压与输入电压之比。例如,3.3V、100mA输出电流需要的平均输入电流仅为12V、30mA,从而使控制电路需要的输入电流降至最低,并提高轻载效率。
即使汽车在停放时,远程无钥进入(RKE)、GPS位置跟踪、报警系统等许多汽车系统应用依然需要持续供电。低静态电流是这些应用的一个主要需求。在输出电流降到大约100mA以下之前,器件将以正常的持续切换模式运行。电流低于100mA时,开关稳压器必须跳过脉冲来保持稳压。在脉冲之间,开关稳压器可以进入睡眠模式,期间只有一部分内部电路接收电力。在轻载电流状态下,开关稳压器需要自动切换到一种模式,即静态电流降至100mA以下,供12V~3.3V转换器使用。内部参考和“电源良好”电路在睡眠模式下依然工作,以监视输出电压。在关闭期间,静态电流应当低于1mA。
理想状况下,结到管壳热阻应当较低。如果将器件后部与铜相连,并焊接到PCB表面,PCB就可以传导器件的热量。目前普遍采用的四层板配有内部电源层,可以实现接近40℃/W的热阻。那些能将热量迅速传导至金属外壳的高环境温度应用,它们实现的热阻接近典型的10℃/W结到管壳热阻,这有助于扩展有效工作温度范围。
虽然开关稳压器比线性稳压器产生更多噪音,但其效率高得多。