汽车信息娱乐系统对电源供电的需求分析

　　随着汽车中使用的电子元件数量不断快速增多，我们可以预期电源转换集成电路会面临更多设计挑战：有些器件需要稳定的电压输入、低静态电流和低噪声，而另一些器件则需要为满足LED照明等特定应用的需求而专门定制，所有器件都需要占板面积更小、效率尽可能高。

　　同时，这些系统中的元件数也在增多，而可用空间却在不断缩小。因此，任何实用的散热器都太大，系统无法容纳。这样一来，由于空间限制和工作温度要求，电源转换效率就成了关键因素。在低输出电压和甚至高于几百毫安的中等电流水平，简单使用线性稳压器产生这类系统所用电压都不再可行了，因为产生的热量太多。因此，主要由于热限制，开关稳压器正在取代线性稳压器。开关稳压器的高效率、小占板面积等好处与附带的复杂性和EMI问题相比，还是利大于弊的。

　　这些复杂的系统需要在可靠和紧凑的布局中有大量电压轨，为这样的系统设计开关电源给电源集成电路设计带来了新的挑战。图1说明了今天的信息娱乐系统的复杂性。

　　图1：现代信息娱乐系统。

　　典型的信息娱乐系统可能有 8 个或更多不同的电源，如8.5V(在欧洲是 8.5V，在日本是 9.5V)、5V、3.3V、2.5V、1.5V和1.2V。8V用作DVD电机电源，用于旋转盘片，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，通常都需要提供2A至3A电流。2.5V电源轨用于存储器和I/O，1A至2A电流足够了。1.5V和1.2V电源轨分别用于为CPU和DSP内核供电。这两种电压轨的功率级通常在3W至5W 之间。

　　除了这些较高电流的应用，也需要较低功率级(低于1W)用于主TFT-LCD显示器(一般为7英寸至10英寸)以及摄像机CCD的偏置。还需要一个5W至10W的功率级用于TFT-LCD显示器的白光LED背光照明。

　　由于要满足所有这些功率需求，因此在大多数信息娱乐系统中可以发现多种开关稳压器。在比较有利的电气环境中，可使用便携产品所用的开关稳压器。不过，有些电源集成电路面对的是苛刻得多的电气环境，这带来了很大的设计挑战。例如，无论何时，只要电源轨直接产生于电池/充电系统，就要求宽输入电压范围来满足电压摆幅极大的要求。如果特定系统需要保持“始终接通”状态，那么最重要的是要具有最低静态电流。类似地，开关频率接近AM/RF/GPS电路频率的开关稳压器集成电路一定不要对这些频带产生干扰。用于TFT-LCD背光照明的LED 驱动器集成电路必须具有宽调光范围，以补偿最轻微的环境光线变化。最后，所有 DC/DC 转换器都要尽可能小，以适合紧凑的布局，还要尽可能高的效率，以消除对散热器的需求。

　　用电池供电

　　不管信息娱乐系统中有什么样的应用或子系统，电源最初都是来自汽车电池和充电系统。然而，汽车电池或充电系统刚好是电气环境最苛刻的地方。就电源集成电路以及由这些集成电路供电的子系统而言，主要关注两种情况：负载突降和冷车发动。

　　1.负载突降(60V瞬态保护)：

　　“负载突降”是交流发电机正在给电池充电而电池电缆断接时出现的情况。图 2 显示了由负载突降引起的典型电压瞬态。在交流发电机试图全力充电时突然断接可能产生高达80V的瞬态电压尖峰。交流发电机上的瞬态电压抑制器通常将总线电压箝位在36V到60V之间。不过，交流发电机的下游器件主端DC/DC转换器可能仍然要承受 60V 的瞬态电压尖峰。由于这些转换器和由转换器供电的子系统在这种瞬态事件发生期间和发生以后要正常工作，因此DC/DC转换器能够处理这些高压(60V 至 100VMAX)瞬态是至关重要的。可以在外部实现各种保护电路(通常是瞬态电压抑制器)，但是外部电路提高了成本，而且需要占用宝贵的空间。凌特公司的几款高压开关稳压器，如LT3433、LT3434/5、LT1976/7和LT3437/8，能够承受高达80V的瞬态电压，同时保持输出稳压，不对系统性能或可靠性造成影响。一般情况下，这些稳压器是降压型或降压-升压型的，可经受由充电/电池系统中断引起的汽车电池和交流发电机的电压改变。

　　图2：负载突降和冷车发动的输入/输出电压随时间的变化。

　　总之：负载突降瞬态是由正在充电的电池意外断接引起的电压尖峰;负载突降瞬态规格为36V至80V，但是取决于具体使用的是哪一代电源以及所用的控制方法;如果不加抑制，负载突降瞬态能损坏电源总线上的很多电子元件。

　　2.冷车发动(4.5V至超过60V的输入瞬态)：

　　“冷车发动”是汽车发动机在寒冷或冰冻温度下度过一段时间后发生的情况。这时机油变得非常黏稠，需要发动机启动器提供更大的扭转力，而这又需要电池提供更大的电流。这种大电流负载能在启动时将电池/主端总线电压拉低至 4V，之后，电压一般会返回到标称的13.8V。图2用图形表述了在冷车发动时电压随时间变化的情况。问题是，某些子系统在整个冷车发动过程中需要非常恒定的稳定输出。这些应用一般用 3.3V 电压工作，包括发动机控制单元(ECU)以及对汽车安全和可靠工作至关重要的环境和应急系统等。

　　任何直接连接到电池上的开关稳压器都需要规定在3至60V的宽输入电压范围内工作，以确保满足冷车发动和负载突降情况的要求。此外，60V额定值为14V系统提供了极好的裕度，这些系统常常箝位到36V至40V的范围。满足上述要求的器件包括LT3430和LT3431，这两款器件适用于需要高达2.5A 输出电流的应用，以及满足1.25A电流要求的LT1766和LT1767。