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新款的汽車采用越來越多精密的電子零件。這個發(fā)展趨勢清楚顯示芯片廠商開發(fā)新芯片時，將會面對很多新的挑戰(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，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械性能等問題需要解決。換言之，“芯片產(chǎn)品的整體成本承受很大的壓力，但技術上又要像軍用產(chǎn)品那樣必須符合嚴格的要求”。價格是另一個越來越備受關注的問題。出廠的汽車必須安全可靠，能長時間保持最佳的性能狀態(tài)，才可滿足車主的要求。汽車的設計周期必須縮短，以確保新車可以盡快推出市場。　　本文將會集中討論如何為汽車電子系統(tǒng)設計成本低廉的電源供應器，文中會深入討論系統(tǒng)的設計 (及重新設計)、可靠性以及芯片成本等問題，并探討有關問題的解決辦法。 　　1 設計流程 　　美國國家半導體很早便已推出一套用途非常廣泛的WEBENCH網(wǎng)上設計工具，以協(xié)助系統(tǒng)設計工程師設計電源供應器。自從這個網(wǎng)站面世以來，很多公司爭相仿效。系統(tǒng)設計工程師即使對電源供應器的設計認識不深，也可將最高及最低輸入電壓、輸出電壓及電流、溫度范圍等設計參數(shù)輸入 WEBENCH 網(wǎng)頁，讓網(wǎng)上的設計軟件為他們挑選一些切合其設計需要的電源管理芯片。 　　系統(tǒng)設計工程師跟著可以從這些芯片之中挑選最切合他們需要的一款，其中包括最新推出內含電源開關及控制器的Simple Switchers系列開關穩(wěn)壓器芯片。芯片選定之后，WEBENCH 的設計軟件接著會為工程師提供一個附有電路圖的系統(tǒng)解決方案，以便工程師可以利用電路圖進行模擬測試，以測試系統(tǒng)的電子特性以至其散熱能力。 　　WEBENCH網(wǎng)上設計工具非常容易使用，系統(tǒng)設計工程師只要利用這套設計工具便可迅速完成電源供應器的設計。這個設計網(wǎng)站的數(shù)據(jù)庫儲存了數(shù)百款芯片的資料。所有設計工具都可支持多種不同的結構。工程師完成設計之后，可將整份設計傳送給有關的同事或供應商以供他們參考。他們甚至可以在網(wǎng)上訂購模板，供應商保證有關產(chǎn)品幾日內便可送到客戶手中。所需的分立元件也會跟模板一并寄出，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。 　　使用這套設計工具無需繳付非常昂貴的模擬測試授權費。由確定技術參數(shù)至電路布局的構思，整個設計過程都可獲得支持。工程師可以挑選合適的芯片進行電子及熱能方面的模擬測試。 　　系統(tǒng)設計工程師只要采用這套設計工具，便可節(jié)省設計及調試時間，換言之，這套設計工具可為公司節(jié)省更多開發(fā)成本。此外，許多公司雖然擅長設計數(shù)字系統(tǒng)，但對電源供應器的設計反而認識不深。以往他們可能需要聘請外面的顧問公司才可完成這方面的工作。但現(xiàn)在他們只要采用 WEBENCH 設計工具，便無需尋求外援，使這方面的開支也可節(jié)省下來。 　　2 新時代、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)電流標準也越趨嚴格。越來越多汽車制造商要求芯片供應商為他們提供靜態(tài)電流低于 100uA 的 ECU 芯片。汽車廠商是有這個實際需要的，因為靜態(tài)電流若果不夠低，汽車在連續(xù)停泊數(shù)星期之后，車內的電池便會因多日不用而無法重新啟動。解決這個問題的其中一個方法是縮短電池與 ECU 芯片之間的供電線路。但啟動這個開關穩(wěn)壓器仍然會耗用一定的電量，因為開關穩(wěn)壓器采用金屬氧化半導體 (MOS) 技術制造，而開關啟動時會產(chǎn)生小量電阻。由于要輸出大量電流，因此需要裝設許多開關，令耗電量也相應大增。這個方案極少采用的原因亦在于此。 　　2.2　　負載傾卸 　　第二個要面對的問題是負載傾卸 ，解決的方法則完全不同。以往美國國家半導體的客戶都要求芯片必須設有過壓保護功能。但目前越來越多汽車電子系統(tǒng)，例如駕駛盤動力操控系統(tǒng)，早在燃點引擎時便已開始操作，因此芯片必須能夠在負載傾卸時正常運作。正因如此，美國國家半導體目前正為低壓降穩(wěn)壓器系列的其中幾個型號重新加設這個過壓保護功能。大受歡迎的 LM9070、LM9071 及 LM9072 芯片便是設有這個功能的幾款低壓降穩(wěn)壓器。這些產(chǎn)品的型號之后都加上 HV 兩個字母作為識別，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 　　預計在未來幾年內，新推出的汽車都會采用 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，電源供應器的轉換效率便會下降，結果是得不償失。 　　2.3.1　　42 伏 - 效率方面的考量 　　我們若利用 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)電流計算在內，系統(tǒng)的整體功耗也不會少于 12V*100mA = 1.2W。以采用 42 伏電池的系統(tǒng)來說，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/直流轉換器的轉換效率會更高。LM2675 芯片若以 12 伏的輸入電壓操作，準確度可高達 90%，若以 40 伏的輸入電壓操作，準確度則高達 82%。LM5007 芯片的轉換效率可高達 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，而且所耗散的能量會積聚一起，令周圍環(huán)境受熱，以致芯片的接面溫度也會隨著上升。我們可以利用以下的公式計算出溫度的大約上升幅度： 　　 　　2.3.3　　42 伏 - 可滿足未來需要的芯片設計 　　審慎的系統(tǒng)設計工程師應該放眼將來，力求能滿足未來一代的需要。他們應該由現(xiàn)在開始便挑選可以支持 42 伏電池的穩(wěn)壓器，以免幾年后需要由零開始重新設計電源供應系統(tǒng)。LM2936HV 低壓降穩(wěn)壓器芯片與 LM295X 開關穩(wěn)壓器芯片是專為 42 伏供電總線而設計的，這兩系列穩(wěn)壓器芯片以及相關的全新零配件都在http://www.national.com/appinfo/automotive/42V.html 這個網(wǎng)頁上有詳細的介紹。為方便進行重新設計，以便可以充分利用 42 伏供電總線的優(yōu)點，系統(tǒng)設計工程師最好先征詢芯片供應商的意見，看看供應商的芯片產(chǎn)品是否可以通過改造工程為 42 伏的新技術提供支持。 　　3 應用范圍 - 氣袋的電源供應系統(tǒng) 　　即使是小型的汽車目前都設有 6 個氣袋，而且所采用的安全標準要求極高。負責為氣袋充氣的是一款稱為爆發(fā)驅動器的特別芯片。這款確保汽車安全的芯片必須能夠在撞車的緊急關頭時立即啟動。按照圖 2 所示，氣袋系統(tǒng)基本上由多個部分組成。 　　爆發(fā)驅動器設于車廂之內，而電池則設于車頭蓋之下。撞車時，爆發(fā)驅動器與電池之間的線路連系可能會因為撞擊而斷開，因此安全電容器一般會設于爆發(fā)驅動器的傍邊，以便驅動器的附近有足夠的儲電可以提供動力，為氣袋充氣。 　　以下簡單介紹氣袋系統(tǒng)的充氣過程。氣袋系統(tǒng)設有升壓轉換器。一般來說，這些升壓轉換器都采用 sepic 或回掃配置。進行充氣之前，氣袋系統(tǒng)的升壓轉換器會先將電池電壓 (Vbat) 提高 (這個電池電壓在負載傾卸時可高達 40 伏)，直至達到安全電壓 (Vsafe) 要求的水平，這樣可確保安全電容器儲存大量電能。之后，才將這個較高的安全電壓調低至幾伏，這個較低的電壓稱為遠程電壓 (Vremote)。這個充氣準備程序必須嚴格依從，以確保其后幾級的低壓降穩(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，其后幾級的低壓降穩(wěn)壓器即使并不屬于汽車級別的產(chǎn)品，其輸入電壓范圍也可滿足有關的要求。LP2985 系列芯片便屬于這類的穩(wěn)壓器，其輸入電壓高達 16 伏，輸出電流為 150mA，接面溫度可高達 125度，適用于大部分的應用場合。 　　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 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載范圍內，這款穩(wěn)壓器芯片可以保持極高的輸出電壓準確度 (高達 2%)。由于這個結構采用了安全電容器，因此操作時更為安全可靠。從成本的角度看，采用遠程低壓降穩(wěn)壓器無需加設任何散熱器，因此有助節(jié)省成本。由于 Vsafe大于Vbat (最高值)，而一級轉換器可用作升壓轉換器，因此無需采用布局較為復雜的 sepic 或回掃式 的轉換器。降壓轉換器適用于降壓穩(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 應用 - 有多個不同電壓輸出可供選擇 　　我們若采用開關穩(wěn)壓器作為輸入級，再以多個低壓降穩(wěn)壓器提供輸出，便可減低電源供應系統(tǒng)的整體成本。高功率的電源供應系統(tǒng)甚至必須采用這樣的設計。 　　確定最理想的地區(qū)電壓 (Vlocal) 時，必須詳細考量以下各參數(shù)： 　　 Vlocal 必須低至可以確保低壓降穩(wěn)壓器不會耗散太多功率。 　　 只有在整體電壓超過指定壓降的情況下低壓降穩(wěn)壓器才會將電壓穩(wěn)定下來，因此 Vlocal 必須比 Vx + VDox 高。 　　5 總結 　　電源供應器若采用恰當?shù)脑O計，將有助減低系統(tǒng)開發(fā)的總體成本。若應用環(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換級的結構。目前市場上有很多專為汽車電源供應系統(tǒng)而設的穩(wěn)壓器芯片可供選擇。采用 WEBENCH 等免費的網(wǎng)上設計工具也有助減低設計成本以及縮短產(chǎn)品的上市時間。汽車廠商都希望縮短新車的設計周期，因此穩(wěn)壓器芯片將會更受汽車廠商的歡迎。即使是同一輛汽車，不同的子系統(tǒng)在實際應用時也各有不同的局限，因此設計這些電子系統(tǒng)的工程師必須對這方面有相當?shù)恼J識。