中心議題：

• 設計汽車電子係統設計成本低廉的電源

解決方案：

• 在電壓極高情況下可采用多轉換級的結構
• 采用WEBENCH等免費的網上設計工具

汽車電子設計在麵臨性能、可靠性
、上(shang)市(shi)時(shi)間(jian)等(deng)多(duo)重(zhong)設(she)計(ji)要(yao)求(qiu)的(de)條(tiao)件(jian)下(xia)，還(hai)必(bi)須(xu)提(ti)供(gong)更(geng)具(ju)競(jing)爭(zheng)力(li)的(de)成(cheng)本(ben)優(you)勢(shi)。本(ben)文(wen)將(jiang)針(zhen)對(dui)這(zhe)些(xie)設(she)計(ji)要(yao)求(qiu)討(tao)論(lun)如(ru)何(he)為(wei)汽(qi)車(che)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)成(cheng)本(ben)低(di)廉(lian)的(de)電(dian)源(yuan)，以(yi)及(ji)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)(及重新設計)、可靠性和芯片成本等問題，並探討有關問題的解決辦法。

新款的汽車采用越來越多精密的電子零件。這種發展趨勢使得芯片廠商在開發新芯片時，將會麵對很多新的挑戰：汽車電子係統的工作環境極為惡劣

，例如汽車的使用期較長，工作的溫度範圍很寬；還hai有you電dian磁ci幹gan擾rao和he電dian磁ci兼jian容rong性xing
，甚shen至zhi機ji械xie性xing能neng等deng問wen題ti需xu要yao解jie決jue。在zai芯xin片pian產chan品pin的de整zheng體ti成cheng本ben承cheng受shou很hen大da的de壓ya力li條tiao件jian下xia，技ji術shu上shang還hai需xu要yao像xiang軍jun品pin那na樣yang必bi須xu符fu合he嚴yan格ge的de要yao求qiu。出chu廠chang的de汽qi車che必bi須xu安an全quan可ke靠kao，能neng長chang時shi間jian保bao持chi最zui佳jia的de性xing能neng狀zhuang態tai

，才cai可ke滿man足zu用yong戶hu的de要yao求qiu。此ci外wai，汽qi車che的de設she計ji周zhou期qi必bi須xu縮suo短duan
，以yi確que保bao新xin車che可ke以yi盡jin快kuai推tui出chu市shi場chang。

設計流程

美國國家半導體公司很早便已推出一套用途非常廣泛的WEBENCH網wang上shang設she計ji工gong具ju，以yi協xie助zhu係xi統tong設she計ji工gong程cheng師shi設she計ji電dian源yuan。基ji於yu該gai工gong具ju，係xi統tong設she計ji工gong程cheng師shi即ji使shi對dui電dian源yuan的de設she計ji認ren識shi不bu深shen，也ye可ke將jiang最zui高gao及ji最zui低di輸shu入ru電dian壓ya
、輸出電壓及電流
、溫度範圍等設計參數輸入到WEBENCH
，設計軟件將根據這些參數為他們挑選一些切合其設計需要的電源管理芯片。  係統設計工程師接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製器的Simple Switchers係列開關穩壓器芯片。芯片選定之後

，WEBENCHdeshejiruanjianhuiweigongchengshitigongyigefuyoudianlutudexitongjiejuefangan，yibiangongchengshikeyiliyongdianlutujinxingfangzhenceshi，yiceshixitongdedianzitexingyizhiqisanrenengli。

 WEBENCHwangshangshejigongjufeichangrongyishiyong，xitongshejigongchengshizhiyaoliyongzhetaoshejigongjubiankexunsuwanchengdianyuandesheji。zhegeshejiwangzhandeshujukuchucunleshubaikuanxinpiandeziliao，suoyoushejigongjudoukezhichiduozhongbutongdejiagou。shejiwanchengzhihou
，gongchengshikejiangzhenggeshejiyutongshihuogongyingshangcankao，tamenshenzhikeyizaiwangshangdinggouyuanxingdianluban，gongyingshangbaozhengyouguanchanpinjirineibiankesongdaokehushouzhong
，suoxudefenliyuanjianyehuigenmobanyibingjichu，gongchengshizhixujiangfenliyuanjianhanzaidianlubanshangbianke，zheyangkequebaochanpingengkuaituichushichang。

使用這套設計工具無需繳付非常昂貴的仿真測試
、shouquanfei。youquedingjishucanshuzhidianlubujudegousi
，zhenggeshejiguochengdoukehuodezhichi。gongchengshikeyitiaoxuanheshidexinpianjinxingdianzijirexingnengfangmiandefangzhenceshi。

xitongshejigongchengshizhiyaocaiyongzhetaoshejigongju
，biankejieshengshejijitiaoshishijian
，yeweigongsijieshenggengduokaifachengben。ciwai，xuduogongsisuiranshanchangshejishuzixitong，danduidianyuandeshejifanerrenshibushen。yiwangtamenkenengxuyaopinqingwaimiandeguwengongsicaikewanchengzhefangmiandegongzuo，danxianzaitamenzhiyaocaiyongWEBENCH設計工具
，便無需尋求外援，使這方麵的開支也可節省下來。
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新的設計挑戰

1. 靜態電流

汽qi車che工gong業ye的de發fa展zhan一yi日ri千qian裏li
，新xin的de挑tiao戰zhan不bu斷duan湧yong現xian。例li如ru
，汽qi車che電dian子zi係xi統tong所suo要yao求qiu的de靜jing態tai電dian流liu標biao準zhun也ye越yue趨qu嚴yan格ge

，越yue來lai越yue多duo汽qi車che製zhi造zao商shang要yao求qiu芯xin片pian供gong應ying商shang為wei他ta們men提ti供gong靜jing態tai電dian流liu低di於yu100uA的ECU芯(xin)片(pian)，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)靜(jing)態(tai)電(dian)流(liu)如(ru)果(guo)不(bu)夠(gou)低(di)，汽(qi)車(che)在(zai)連(lian)續(xu)停(ting)泊(bo)數(shu)星(xing)期(qi)之(zhi)後(hou)
，車(che)內(nei)的(de)電(dian)池(chi)便(bian)會(hui)因(yin)多(duo)日(ri)不(bu)用(yong)而(er)無(wu)法(fa)重(zhong)新(xin)啟(qi)動(dong)。解(jie)決(jue)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)的(de)其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)方(fang)法(fa)是(shi)縮(suo)短(duan)電(dian)池(chi)與(yu)ECU芯片之間的供電線路。但啟動這個開關穩壓器仍然會耗用一定的電量，因為開關穩壓器采用金屬氧化半導體(MOS)jishuzhizao
，erkaiguanqidongshihuichanshengjiaoxiaodianzu。youyuyaoshuchudaliangdianliu，yincixuyaozhuangshexuduokaiguan，linghaodianliangyexiangyingdazeng。zhegefanganjishaocaiyongdeyuanyinyizaiyuci。

2. 負載突降

第二個要麵對的問題是負載突降(Load-dump
，汽車引擎啟動瞬間會出現負載突降，將從電池供電轉到發電機供電
，出現持續時間為100mS到500mS的40V到60V的電壓轉換)
，解(jie)決(jue)的(de)方(fang)法(fa)則(ze)完(wan)全(quan)不(bu)同(tong)。以(yi)往(wang)國(guo)家(jia)半(ban)導(dao)體(ti)的(de)客(ke)戶(hu)都(dou)要(yao)求(qiu)芯(xin)片(pian)必(bi)須(xu)設(she)有(you)過(guo)壓(ya)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)。但(dan)目(mu)前(qian)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)汽(qi)車(che)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)，例(li)如(ru)駕(jia)駛(shi)盤(pan)動(dong)力(li)操(cao)控(kong)係(xi)統(tong)早(zao)在(zai)點(dian)燃(ran)引(yin)擎(qing)時(shi)便(bian)已(yi)開(kai)始(shi)工(gong)作(zuo)
，因(yin)此(ci)芯(xin)片(pian)必(bi)須(xu)能(neng)夠(gou)在(zai)負(fu)載(zai)突(tu)降(jiang)時(shi)正(zheng)常(chang)運(yun)作(zuo)。正(zheng)因(yin)如(ru)此(ci)，國(guo)家(jia)半(ban)導(dao)體(ti)目(mu)前(qian)正(zheng)為(wei)低(di)壓(ya)降(jiang)穩(wen)壓(ya)器(qi)係(xi)列(lie)的(de)其(qi)中(zhong)幾(ji)個(ge)型(xing)號(hao)重(zhong)新(xin)加(jia)設(she)過(guo)壓(ya)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)。LM9070
、LM9071及LM9072 芯片便是具有這個功能的幾款低壓降穩壓器。對於輸入電壓範圍更寬的版本，將在這些型號後麵添加 HV 兩個字母作為識別。

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伏的供電總線。采用42伏供電總線的好處是可以降低汽車的耗電量及電纜的重量。但供電電壓若提高至42伏，電源的轉換效率便會下降，結果是得不償失。
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a. 效率上的考慮

我們若利用3.3伏的電池為電子係統提供所需的100mA供電
，係統的實際功耗隻有330mW。低壓降穩壓器芯片若利用12伏電池供電
，那麼即使不將靜態電流計算在內
，係統的整體功耗也不會少於12V*100mA=1.2W。以采用42伏電池的係統來說，係統功耗便等於42V*100mA=4.2W。換言之，低壓降穩壓器若利用42伏的電池為電子係統提供穩壓供電，其效率比利用傳統的12伏電池低3倍以上。低壓降穩壓器的效率與輸出電壓/輸入電壓(Vout/Vin)成正比，其效率(=(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伏的輸入電壓工作

，效率可高達90%
，若以40伏的輸入電壓工作則可達82%。LM5007芯片的轉換效率可高達93%。

b. 功耗方麵的考慮

低(di)壓(ya)降(jiang)穩(wen)壓(ya)器(qi)芯(xin)片(pian)的(de)效(xiao)率(lv)很(hen)低(di)
，較(jiao)易(yi)造(zao)成(cheng)能(neng)源(yuan)的(de)浪(lang)費(fei)，而(er)且(qie)所(suo)耗(hao)散(san)的(de)能(neng)量(liang)會(hui)積(ji)聚(ju)在(zai)一(yi)起(qi)
，令(ling)周(zhou)圍(wei)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)上(shang)升(sheng)，以(yi)致(zhi)芯(xin)片(pian)的(de)結(jie)溫(wen)也(ye)會(hui)隨(sui)著(zhe)上(shang)升(sheng)。我(wo)們(men)可(ke)以(yi)利(li)用(yong)以(yi)下(xia)的(de)公(gong)式(shi)計(ji)算(suan)出(chu)溫(wen)度(du)的(de)大(da)約(yue)上(shang)升(sheng)幅(fu)度(du)：

P(浪費掉的功率)=(Tj-Ta)/((j,a)=(Vin-Vout)*Iout

c. 可滿足未來需要的芯片設計

審慎的係統設計工程師應該放眼將來
，力求能滿足未來一代的需要。他們應該從現在開始便挑選可以支持42伏電池的穩壓器，以免幾年後需要由零開始重新設計電源係統。LM2936HV低壓降穩壓器芯片與 LM295X開關穩壓器芯片是專為42伏供電總線而設計的，這兩個係列穩壓器芯片以及相關的器件都在www.national.com/appinfo/automotive/42V.html這個網頁上有詳細的介紹。

氣囊的電源供應係統

即使是小型的汽車目前都設有6個氣囊

，而且所采用的安全標準要求極高。負責為氣囊充氣的是一款稱為爆管驅動器(squib driver)的特別芯片，該芯片必須能夠在撞車的緊急關頭立即啟動。按照圖1所示


，氣囊係統由多個部分組成。

baoguanqudongqisheyuchexiangzhinei，erdianchizesheyuchetougaizhixia。zhuangcheshi，baoguanqudongqiyudianchizhijiandexianlulianjiekenenghuiyinweizhuangjierduankai，yincianquandianrongqiyibanhuisheyubaoguanqudongqidepangbian，yibianqudongqidefujinyouzugoudechudiankeyitigongdongli，weiqinangchongqi。

以下簡單介紹氣囊係統的充氣過程。氣囊係統設有升壓轉換器，一般來說，這些升壓轉換器都采用 sepic拓撲(sepic拓撲要求電路中采用兩個電感) 或回掃拓撲結構(回掃拓撲中需要采用一個變壓器)。進行充氣之前，氣囊係統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突降時可高達 40伏)，直至達到安全電壓(Vsafe)要求的電平
，這樣可確保安全電容器儲存大量電能(見圖2)。之後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)。必須嚴格按照這個充氣準備程序，以確保其後幾級的低壓降穩壓器出現較少壓降。壓降越少
，功耗也就越低，效率也就越高。 [page]       
由於Vremote的數值較低
，其後幾級的低壓降穩壓器即使並不屬於汽車級別的產品
，其輸入電壓範圍也可滿足有關的要求。LP2985係列芯片便屬於這類的穩壓器
，其輸入電壓高達16伏

，輸出電流為150mA，結溫可高達125℃，適用於大部分的應用場合。

LM9076穩壓器芯片則適用於更高溫的工作環境
，其接麵溫度可高達150℃。這款穩壓器可利用8伏的輸入電壓輸出150mA的電流及5伏的電壓。在額定的工作溫度及負載範圍內，這款穩壓器芯片可以保持極高的輸出電壓準確度(高達2%)。由(you)於(yu)這(zhe)個(ge)結(jie)構(gou)采(cai)用(yong)了(le)安(an)全(quan)電(dian)容(rong)器(qi)，因(yin)此(ci)工(gong)作(zuo)時(shi)更(geng)為(wei)安(an)全(quan)可(ke)靠(kao)。從(cong)成(cheng)本(ben)的(de)角(jiao)度(du)看(kan)，采(cai)用(yong)遠(yuan)程(cheng)低(di)壓(ya)降(jiang)穩(wen)壓(ya)器(qi)無(wu)需(xu)加(jia)設(she)任(ren)何(he)散(san)熱(re)器(qi)，因(yin)此(ci)有(you)助(zhu)節(jie)省(sheng)成(cheng)本(ben)。由(you)於(yu)Vsafe(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複雜的sepic或回掃式的轉換器。降壓轉換器適用於降壓穩壓器
，後者成本也較低。由於低壓降穩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。

有多個不同電壓輸出可供選擇

womenruocaiyongkaiguanwenyaqizuoweishuruji，zaiyiduogediyajiangwenyaqitigongshuchu，biankejiangdidianyuanxitongdezhengtichengben。gaogonglvdedianyuanxitongshenzhibixucaiyongzheyangdesheji。tu4是其中一個示例。 確定最理想的局部電壓(Vlocal)時，必須詳細考量以下各參數：
Vlocal必須低至可以確保低壓降穩壓器不會耗散太多功率。Iout(最高值)=(Tj-Ta)/(((j,a)*(Vin-Vout))
隻有在整體電壓超過指定壓降的情況下低壓降穩壓器才會將電壓穩定下來，因此Vlocal必須比Vx+VDox高。

本文總結

電源若采用恰當的設計

，將有助降低係統開發的總體成本。若應用環境極為惡劣
，例如在電池電壓
、輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)以(yi)及(ji)溫(wen)度(du)等(deng)都(dou)處(chu)於(yu)極(ji)高(gao)水(shui)平(ping)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，我(wo)們(men)必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)采(cai)用(yong)多(duo)轉(zhuan)換(huan)級(ji)的(de)結(jie)構(gou)。目(mu)前(qian)市(shi)場(chang)上(shang)有(you)很(hen)多(duo)專(zhuan)為(wei)汽(qi)車(che)電(dian)源(yuan)供(gong)應(ying)係(xi)統(tong)而(er)設(she)的(de)穩(wen)壓(ya)器(qi)芯(xin)片(pian)可(ke)供(gong)選(xuan)擇(ze)。采(cai)用(yong)WEBENCH等(deng)免(mian)費(fei)的(de)網(wang)上(shang)設(she)計(ji)工(gong)具(ju)也(ye)有(you)助(zhu)降(jiang)低(di)設(she)計(ji)成(cheng)本(ben)以(yi)及(ji)縮(suo)短(duan)產(chan)品(pin)的(de)上(shang)市(shi)時(shi)間(jian)。汽(qi)車(che)廠(chang)商(shang)都(dou)希(xi)望(wang)縮(suo)短(duan)新(xin)車(che)的(de)設(she)計(ji)周(zhou)期(qi)，因(yin)此(ci)穩(wen)壓(ya)器(qi)芯(xin)片(pian)將(jiang)會(hui)更(geng)受(shou)汽(qi)車(che)廠(chang)商(shang)的(de)歡(huan)迎(ying)。即(ji)使(shi)是(shi)同(tong)一(yi)輛(liang)汽(qi)車(che)
，不(bu)同(tong)的(de)子(zi)係(xi)統(tong)在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)時(shi)也(ye)各(ge)有(you)不(bu)同(tong)的(de)局(ju)限(xian)
，因(yin)此(ci)設(she)計(ji)這(zhe)些(xie)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)的(de)工(gong)程(cheng)師(shi)必(bi)須(xu)對(dui)這(zhe)方(fang)麵(mian)有(you)相(xiang)當(dang)的(de)認(ren)識(shi)。