隨著汽車中使用的電子元件數量不斷快速增多，我們可以預期電源轉換集成電路會面臨更多設計挑戰：有些器件需要穩定的電壓輸入、低靜態電流和低噪聲，而另一些器件則需要為滿足LED照明等特定應用的需求而專門定制，所有器件都需要占板面積更小、效率盡可能高。

　　同時，這些系統中的元件數也在增多，而可用空間卻在不斷縮小。因此，任何實用的散熱器都太大，系統無法容納。這樣一來，由于空間限制和工作溫度要求，電源轉換效率就成了關鍵因素。在低輸出電壓和甚至高于幾百毫安的中等電流水平，簡單使用線性穩壓器產生這類系統所用電壓都不再可行了，因為產生的熱量太多。因此，主要由于熱限制，開關穩壓器正在取代線性穩壓器。開關穩壓器的高效率、小占板面積等好處與附帶的復雜性和EMI問題相比，還是利大于弊的。

　　這些復雜的系統需要在可靠和緊湊的布局中有大量電壓軌，為這樣的系統設計開關電源給電源集成電路設計帶來了新的挑戰。圖1說明了今天的信息娛樂系統的復雜性。

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　　圖1：現代信息娛樂系統。

　　典型的信息娛樂系統可能有 8 個或更多不同的電源，如8.5V(在歐洲是 8.5V，在日本是 9.5V)、5V、3.3V、2.5V、1.5V和1.2V。8V用作DVD電機電源，用于旋轉盤片，這通常需要高達2A的峰值電流。5V和3.3V電源軌一般用于系統總線，通常都需要提供2A至3A電流。2.5V電源軌用于存儲器和I/O，1A至2A電流足夠了。1.5V和1.2V電源軌分別用于為CPU和DSP內核供電。這兩種電壓軌的功率級通常在3W至5W 之間。

　　除了這些較高電流的應用，也需要較低功率級(低于1W)用于主TFT-LCD顯示器(一般為7英寸至10英寸)以及攝像機CCD的偏置。還需要一個5W至10W的功率級用于TFT-LCD顯示器的白光LED背光照明。

　　由于要滿足所有這些功率需求，因此在大多數信息娛樂系統中可以發現多種開關穩壓器。在比較有利的電氣環境中，可使用便攜產品所用的開關穩壓器。不過，有些電源集成電路面對的是苛刻得多的電氣環境，這帶來了很大的設計挑戰。例如，無論何時，只要電源軌直接產生于電池/充電系統，就要求寬輸入電壓范圍來滿足電壓擺幅極大的要求。如果特定系統需要保持“始終接通”狀態，那么最重要的是要具有最低靜態電流。類似地，開關頻率接近AM/RF/GPS電路頻率的開關穩壓器集成電路一定不要對這些頻帶產生干擾。用于TFT-LCD背光照明的LED 驅動器集成電路必須具有寬調光范圍，以補償最輕微的環境光線變化。最后，所有 DC/DC 轉換器都要盡可能小，以適合緊湊的布局，還要盡可能高的效率，以消除對散熱器的需求。

　　用電池供電

　　不管信息娛樂系統中有什么樣的應用或子系統，電源最初都是來自汽車電池和充電系統。然而，汽車電池或充電系統剛好是電氣環境最苛刻的地方。就電源集成電路以及由這些集成電路供電的子系統而言，主要關注兩種情況：負載突降和冷車發動。

　　1.負載突降(60V瞬態保護)：

　　“負載突降”是交流發電機正在給電池充電而電池電纜斷接時出現的情況。圖 2 顯示了由負載突降引起的典型電壓瞬態。在交流發電機試圖全力充電時突然斷接可能產生高達80V的瞬態電壓尖峰。交流發電機上的瞬態電壓抑制器通常將總線電壓箝位在36V到60V之間。不過，交流發電機的下游器件主端DC/DC轉換器可能仍然要承受 60V 的瞬態電壓尖峰。由于這些轉換器和由轉換器供電的子系統在這種瞬態事件發生期間和發生以后要正常工作，因此DC/DC轉換器能夠處理這些高壓(60V 至 100VMAX)瞬態是至關重要的。可以在外部實現各種保護電路(通常是瞬態電壓抑制器)，但是外部電路提高了成本，而且需要占用寶貴的空間。凌特公司的幾款高壓開關穩壓器，如LT3433、LT3434/5、LT1976/7和LT3437/8，能夠承受高達80V的瞬態電壓，同時保持輸出穩壓，不對系統性能或可靠性造成影響。一般情況下，這些穩壓器是降壓型或降壓-升壓型的，可經受由充電/電池系統中斷引起的汽車電池和交流發電機的電壓改變。

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　　圖2：負載突降和冷車發動的輸入/輸出電壓隨時間的變化。

　　總之：負載突降瞬態是由正在充電的電池意外斷接引起的電壓尖峰;負載突降瞬態規格為36V至80V，但是取決于具體使用的是哪一代電源以及所用的控制方法;如果不加抑制，負載突降瞬態能損壞電源總線上的很多電子元件。

　　2.冷車發動(4.5V至超過60V的輸入瞬態)：

　　“冷車發動”是汽車發動機在寒冷或冰凍溫度下度過一段時間后發生的情況。這時機油變得非常黏稠，需要發動機啟動器提供更大的扭轉力，而這又需要電池提供更大的電流。這種大電流負載能在啟動時將電池/主端總線電壓拉低至 4V，之后，電壓一般會返回到標稱的13.8V。圖2用圖形表述了在冷車發動時電壓隨時間變化的情況。問題是，某些子系統在整個冷車發動過程中需要非常恒定的穩定輸出。這些應用一般用 3.3V 電壓工作，包括發動機控制單元(ECU)以及對汽車安全和可靠工作至關重要的環境和應急系統等。

　　任何直接連接到電池上的開關穩壓器都需要規定在3至60V的寬輸入電壓范圍內工作，以確保滿足冷車發動和負載突降情況的要求。此外，60V額定值為14V系統提供了極好的裕度，這些系統常常箝位到36V至40V的范圍。滿足上述要求的器件包括LT3430和LT3431，這兩款器件適用于需要高達2.5A 輸出電流的應用，以及滿足1.25A電流要求的LT1766和LT1767。

　　始終接通系統

　　典型的信息娛樂系統都有需要始終工作的子系統：如GPS接收器、IR系統和系統微處理器。由于汽車點火裝置有時是斷開的，這些子系統必須直接連接到電池，以低功率模式工作。這要求靜態電流最低，而且要求這些子系統能夠承受點火裝置接通時電池和充電系統的電壓變化。再加上汽車中的其他電源系統，因此對電池的要求越來越高了，即使在點火裝置斷開時也是這樣。總體上，需要幾百毫安的電源電流來維持始終接通處理器所需的電壓，這可能在幾周之內就能完全耗盡電池的電量。為了更好地滿足這些需求，一些汽車制造商尋求每個“始終接通”DC/DC轉換器達到100uA的最大靜態電流“目標”。

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　　圖3：LT3437用于汽車應用的原理圖和電源電流

　　不過，直到最近，就轉換器而言，高輸入電壓和低靜態電流都是互不相容的參數要求。凌特公司的高壓(60V至80V)100uA降壓型DC/DC轉換器系列是第一種同時滿足上述兩種要求的器件。這個系列器件的最大輸入電壓范圍為60V至80V，輸出電流范圍為450mA(LT3437)至2.5A(LT3434)，靜態電流都低于100uA。

　　圖3是LT3437的原理圖和合成電源電流。該器件以4.5V至80V的輸入電壓可以維持3.3V的穩定輸出電壓，同時具有超過80%的效率。它采用有引線耐熱增強型 TSSOP-16封裝或3mm ×3mm 纖巧無引線 DFN 封裝。這兩種封裝都具有非常高的熱效率，θJC僅為10℃/W，無需任何外部散熱器。LT3437 采用獨特的突發模式設計，能夠用僅為100uA的電源電流工作，非常適用于始終接通應用。LT3434和LT1976等類似器件也可用于電流較高的應用，如分別適用于輸出電流為2.5A和1.25A的應用。

　　再轉換的電源軌

　　不管電源是3.3V還是5V，在進入信息系統之后都可以直接驅動很多系統內部電路，因為很多電路都可以用2.7V至5.5V的電壓工作。不過，有幾種電路需要比最初的電壓軌更高或更低的電壓。最明顯的是CD/DVD驅動器電機，它需要8.5V電壓。有些CPU和DSP需要1.2V至1.5V的電壓，面朝后攝像機的CCD需要偏置電壓(15V和-8V)，TFT-LCD顯示器既需要偏置電壓(8V、15V和-8V)也需要白光 LED照明(高達36V)。慶幸的是，一般情況下，對電池的主電源轉換已經起到了保護這些電壓軌免受瞬態和過壓變化影響的作用，因此在這些再轉換的電源就無需保護了。不過最大限度地降低開關噪聲成了最重要的事情，因為很多電源轉換都是在靠近噪聲敏感的AM、RF或GPS接收器的地方進行的。只要開關行為是可預測的，這些潛在的噪聲和 EMI在很多敏感應用中就都是可管理的，這一點已經得到證實。如果開關穩壓器在正常工作模式下以恒定頻率開關，而且切換邊沿是干凈和可預測的，沒有過沖或高頻振鈴，那么EMI就得到了最大限度的降低。此外，如果穩壓器可以采用低ESR陶瓷電容器，那么輸入和輸出電壓紋波可以最大限度地降低，而這種紋波是系統中的潛在噪聲源。

　　驅動DVD/CD的電動機

　　驅動DVD/CD的電機在8.5V時需要高達2A的電流，以轉動CD/DVD盤片。由于這種在8.5V時相對高的負載，一般直接由電池供電，將電池電壓降低至8.5V。與從較低電壓軌升壓到8.5V相比，這個解決方案實現了較高的效率。直接用電池供電要求轉換器具有穩定的輸入電壓能力，以保護電動機驅動器免受高壓瞬態影響。凌特公司的 LT3430 既可以為這種應用提供瞬態保護又可以提供所需的輸出電流。該器件具有高達 90% 的效率，采用耐熱增強型TSSOP-16 封裝，熱耗散很低，同時解決方案占板面積也很小。

　　微處理器和存儲器電源

　　任何信息娛樂系統中都有一些微處理器。它們的內核都需要1.2V至2.5V的電源，而它們的存儲器和I/O都需要2.5V或3.0V電壓，因此需要對5V主電源或3.3V中間電壓軌降壓。效率是最重要的，因為這些子系統非常緊湊，沒有多余的地方放置散熱器。LTC3407-2就是一種滿足上述要求的穩壓器。其同步整流拓撲提供高達 96%的效率，同時其恒定開關頻率為2.25MHz，保持噪聲在相鄰音頻接收器的敏感 AM頻帶之外。

　　TFT-LCD平板和CCD偏置

　　TFT平板(對角線為6英寸至10英寸)除了大約8V的中間電壓(通常稱為 AVDD)需要高達450mA的電流，一般需要較低的偏置電源，如 16V/10mA和8V/10mA。凌特公司的LT1935是一個理想的選擇。LT1935的效率高達80%，ThinSOT封裝保持解決方案占板面積最小。面朝后攝像機的CCD也需要某些類型的偏置電源，一般需要的是15V/20mA 和-8V/50mA。凌特公司的LT3472是低噪聲、恒定頻率(1.1MHz)的雙輸出升壓/負輸出型集成電路，可用2.2V至16V的輸入工作，提供所需的CCD偏置電壓。其3mm×3mm DFN封裝最大限度地縮小了解決方案占板面積，同時具有卓越的熱性能。

　　TFT-LCD白光LED背光照明

　　除了偏置電壓，TFT-LCD顯示器還需要背光照明以便觀看。傳統上，背光照明一直是采用CCFL實現的。但是，由于白光LED的尺寸更小，可靠性更高，因此在背光照明應用中迅速取代了CCFL。由于汽車內部光線變化和人眼對光強微小變化的敏感性，要求這些顯示器的背光照明有高達1000:1的寬調光范圍。凌特公司的 LT3486(參見圖 4)可以解決這一問題。該器件是一種雙輸出降壓型DC/DC轉換器，專門設計成用12V輸入電壓驅動多達16個100mA的白光LED(每通道8個LED串聯)。它用作恒定電流源，保持LED的亮度恒定，甚至每個LED的正向電壓不同時也一樣。LT3486是第一個采用“真正彩色 PWM(True Color PWM)調光”的LED驅動器，向LED提供了恒定電流，保持LED以恒定顏色發光。調光通過降低PWM驅動器的占空比控制。正像從圖4中可以看到的那樣，就大多數所需調光范圍而言，該器件的效率在80%到90%之間。其耐熱增強型TSSOP-16封裝體積很小，熱效率很高。

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　　圖4：LT3486 汽車 TFT-LCD 背光照明原理圖和效率。

　　本文總結：

　　隨著汽車中使用的電子元件數量不斷快速增多，我們可以預期，電源轉換集成電路會面臨更多設計挑戰。有些器件需要穩定的電壓輸入、低靜態電流和低噪聲，而另一些集成電路則需要為滿足LED照明等特定應用的需求而專門定制。所有器件都需要占板面積更小，效率盡可能最高。凌特公司已經認識到這種發展趨勢，并已經開發出使汽車中電子產品能夠加速增多的電源集成電路。