目前生產(chǎn)的大多數(shù)中高檔汽車都配置了基于 DVD 的 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備(圖 1)。然而可以證實(shí)，如果想設(shè)計(jì)一個(gè)用于控制此類系統(tǒng)內(nèi)不同電壓軌的電源，其復(fù)雜程度絲毫不亞于設(shè)計(jì)筆記本電腦用的電源系統(tǒng)。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的汽車導(dǎo)航系統(tǒng)有可能具有 6 個(gè)或更多的電源，包括 8V、5V、3.3V、2.5V、1.5V 和 1.2V。8V 電源用于給使光盤旋轉(zhuǎn)的 DVD 電機(jī)供電;這常常需要高達(dá) 2A 的峰值電流。5V 和 3.3V 電源軌通常為系統(tǒng)總線，一般要求各提供 2A～3A 的電流。2.5V 電源軌用于存儲(chǔ)器和 I/O，因此輸送 1A～2A 的電流便足夠了。1.5V 和 1.2V 電源軌分別用于提供 CPU 內(nèi)核和 DSP 內(nèi)核電壓。這兩個(gè)電源軌的功率電平一般均在 3W～5W 之間。

圖 1：大多數(shù)中高檔汽車都配置了基于 DVD 的 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備

同時(shí)，隨著這些系統(tǒng)中組件數(shù)目的增加，可用空間日漸狹小。因此，鑒于所有的實(shí)際散熱器都很龐大以致于安裝不便，出于對(duì)空間限制以及工作溫度范圍要求的考慮，轉(zhuǎn)換效率的重要性變得更加突出。在低輸出電壓以及高于幾百毫安的中等電流電平條件下，簡(jiǎn)單地采用一個(gè)線性穩(wěn)壓器來(lái)生成這些系統(tǒng)電壓已不再可行。因此，在過(guò)去的幾年里，主要由于散熱方面的限制，開關(guān)穩(wěn)壓器一直在逐步取代線性穩(wěn)壓器。開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)包括較高的效率和較小的占位面積，這使得復(fù)雜度的增加以及 EMI 問(wèn)題變得不那么重要。

如果考慮汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中的開關(guān)穩(wěn)壓器限制條件，則其將需要擁有下列特點(diǎn)和特性：

寬輸入工作范圍

在一個(gè)寬負(fù)載范圍內(nèi)具有良好的效率

在正常操作、待機(jī)和停機(jī)狀態(tài)下具有低靜態(tài)電流

低熱阻

最低的噪聲和 EMI 輻射

讓我們較詳細(xì)地研究一下這些基本能力：

1. 寬輸入工作范圍

任何開關(guān)穩(wěn)壓器都需要被規(guī)定在一個(gè) 3V～60V 的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，以確?？蓾M足“冷車發(fā)動(dòng)” 和“負(fù)載突降” 的條件。它還具有使這些汽車系統(tǒng)能夠在 14V 或 42V 電壓條件下運(yùn)行的額外優(yōu)點(diǎn)。而且，60V 的額定電壓還為通常被箝位于 36V～40V 的 14V 系統(tǒng)提供了一個(gè)良好的裕度。另外，60V 的額定電壓還使得該器件能夠應(yīng)用于未來(lái)的 42V 系統(tǒng)。這就意味著一款現(xiàn)今為 14V 系統(tǒng)所做的設(shè)計(jì)可以針對(duì) 42V 系統(tǒng)的要求輕而易舉地升級(jí)，而無(wú)需進(jìn)行任何重大的重新設(shè)計(jì)工作。

2. 效率

在大多數(shù)汽車系統(tǒng)中，在一個(gè)寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效功率轉(zhuǎn)換是必不可少的。例如，在 10mA 至 2.5A 的負(fù)載范圍內(nèi)，一個(gè) 5V 輸出的功率轉(zhuǎn)換效率被要求達(dá)到 85% 左右。在高電流條件下，內(nèi)部開關(guān)需要具有良好的飽和，通常在 3A 電流時(shí)為 0.1Ω。為了改善輕負(fù)載效率，需減小驅(qū)動(dòng)電流或使其與負(fù)載電流成比例。而且，用于內(nèi)部控制電路的功率可以通過(guò)一個(gè)偏置引腳來(lái)提供，該偏置引腳可由輸出來(lái)供電。這得益于一個(gè)降壓型轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)換效率。由于該偏置電流吸收自輸出(而不是輸入)，因而使得控制電路所需的輸入電源電流有所減小，降幅為輸出與輸入電壓之比。例如，一個(gè)于 3.3V 時(shí)的 100μA 輸出電流只要求于 12V 時(shí)的 30μA 平均輸入電流。這最大限度地減小了控制電路所需的輸入電流，并且提高了輕負(fù)載時(shí)的效率水平。

表 1：高電壓、低靜態(tài)電流降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

3. 低靜態(tài)電流

汽車系統(tǒng)中有許多應(yīng)用即使是在車輛處于停駛狀態(tài)下也要求連續(xù)供電。這些應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵要求就是低靜態(tài)電流。在輸出電流降至大約 100mA 以下之前，該器件將運(yùn)行于正常的連續(xù)開關(guān)模式。在該電流電平以下，開關(guān)穩(wěn)壓器必須跳過(guò)若干脈沖以便維持穩(wěn)壓狀態(tài)。該穩(wěn)壓器可在脈沖之間進(jìn)入睡眠模式，此時(shí)僅對(duì)部分內(nèi)部電路供電。在輕負(fù)載電流條件下，開關(guān)穩(wěn)壓器需要自動(dòng)切換至突發(fā)模式操作。在該模式中，對(duì)于一個(gè) 12V 至 3.3V 轉(zhuǎn)換器，靜態(tài)電流應(yīng)降至 100μA 以下。在睡眠模式中，內(nèi)部基準(zhǔn)和電源良好電路將保持運(yùn)行狀態(tài)，以便監(jiān)視輸出電壓。在停機(jī)模式中，靜態(tài)電流應(yīng)低于 1μA。

4. 低熱阻

理想的情況是，結(jié)點(diǎn)至外殼熱阻應(yīng)該很低。如果器件的背部為裸露銅面并被焊接至 PC 板的表面，則 PC 板可被用來(lái)將熱量傳導(dǎo)至遠(yuǎn)離器件的地方。目前常用具有內(nèi)部電源平面的四層電路板能夠?qū)崿F(xiàn)約 40℃/W 的熱阻。具有至金屬外殼良好熱傳導(dǎo)的高環(huán)境溫度應(yīng)用可獲得接近 10℃/W 的典型結(jié)點(diǎn)至外殼熱阻值。這有助于擴(kuò)展工作溫度范圍。

5. 關(guān)于噪聲和 EMI 的考慮

雖然開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪聲多于線性穩(wěn)壓器，但是其效率卻比后者高得多。在許多敏感應(yīng)用中已經(jīng)證明只要開關(guān)電源按照可預(yù)測(cè)的方式運(yùn)作，則噪聲和 EMI 水平是可以控制的。如果開關(guān)穩(wěn)壓器在正常模式中以一個(gè)恒定的頻率進(jìn)行開關(guān)操作，且開關(guān)脈沖邊緣干凈并可預(yù)測(cè)(沒有過(guò)沖或高頻振鈴)，則 EMI 將得到最大限度的抑制。采用小尺寸封裝和高工作頻率能夠?qū)崿F(xiàn)小巧緊密的布局，這可以最大限度地減少 EMI 輻射。另外，如果穩(wěn)壓器能夠與低 ESR 陶瓷電容器一道使用，則可最大限度地減小輸入和輸出紋波(它們是系統(tǒng)中的額外噪聲源)。