在芯片產品的整體成本承受很大的壓力條件下，技術上還需要像軍品那樣必須符合嚴格的要求。新款的汽車采用越來越多精密的電子零件勃撼。這種發(fā)展趨勢使得芯片廠商在開發(fā)新芯片時，將會面對很多新的挑戰(zhàn)：汽車電子系統(tǒng)的工作環(huán)境極為惡劣睹协，例如汽車的使用期較長鳞集，工作的溫度范圍很寬；還有電磁干擾和電磁兼容性叁利，甚至機械性能等問題需要解決铜氛。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)党砸，才可滿足用戶的要求蟀委。此外，汽車的設計周期必須縮短莉狠，以確保新車可以盡快推出市場猜艇。

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網上設計工具，以協(xié)助系統(tǒng)設計工程師設計電源堪俩√纾基于該工具，系統(tǒng)設計工程師即使對電源的設計認識不深肋乍，也可將最高及最低輸入電壓鹅颊、輸出電壓及電流、溫度范圍等設計參數(shù)輸入到WEBENCH墓造，設計軟件將根據(jù)這些參數(shù)為他們挑選一些切合其設計需要的電源管理芯片堪伍。

系統(tǒng)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制器的Simple Switchers系列開關穩(wěn)壓器芯片觅闽。芯片選定之后帝雇，WEBENCH的設計軟件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仿真測試蛉拙，以測試系統(tǒng)的電子特性以至其散熱能力尸闸。

WEBENCH網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的設計孕锄。這個設計網站的數(shù)據(jù)庫儲存了數(shù)百款芯片的資料吮廉，所有設計工具都可支持多種不同的架構。設計完成之后畸肆，工程師可將整個設計與同事或供應商參考宦芦，他們甚至可以在網上訂購原型電路板佛雀，供應商保證有關產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慢况，工程師只需將分立元件焊在電路板上便可孤咏，這樣可確保產品更快推出市場。

使用這套設計工具無需繳付非常昂貴的仿真測試阀秤、授權費山刨。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鼠台。工程師可以挑選合適的芯片進行電子及熱性能方面的仿真測試随港。

系統(tǒng)設計工程師只要采用這套設計工具，便可節(jié)省設計及調試時間确缩，也為公司節(jié)省更多開發(fā)成本溃登。此外，許多公司雖然擅長設計數(shù)字系統(tǒng)缎苞，但對電源的設計反而認識不深犬捧。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設計工具售碳，便無需尋求外援强重，使這方面的開支也可節(jié)省下來。

新的設計挑戰(zhàn)

(1) 靜態(tài)電流

汽車工業(yè)的發(fā)展一日千里贸人，新的挑戰(zhàn)不斷涌現(xiàn)间景。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艺智，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芯片倘要，這是因為靜態(tài)電流如果不夠低，汽車在連續(xù)停泊數(shù)星期之后十拣，車內的電池便會因多日不用而無法重新啟動封拧。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父晶，因為開關穩(wěn)壓器采用金屬氧化半導體(MOS)技術制造哮缺，而開關啟動時會產生較小電阻。由于要輸出大量電流甲喝，因此需要裝設許多開關，令耗電量也相應大增铛只。這個方案極少采用的原因亦在于此贵本。

(2) 負載突降

第二個要面對的問題是負載突降(Load-dump，汽車引擎啟動瞬間會出現(xiàn)負載突降尸校，將從電池供電轉到發(fā)電機供電穴愕，出現(xiàn)持續(xù)時間為100mS到500mS的40V到60V的電壓轉換)债鼎，解決的方法則完全不同。以往國家半導體的客戶都要求芯片必須設有過壓保護功能渗蜀。但目前越來越多汽車電子系統(tǒng)蚂旁，例如駕駛盤動力操控系統(tǒng)早在點燃引擎時便已開始工作，因此芯片必須能夠在負載突降時正常運作历喊。正因如此粤搂，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過壓保護功能。LM9070法竭、LM9071及LM9072 芯片便是具有這個功能的幾款低壓降穩(wěn)壓器辜色。對于輸入電壓范圍更寬的版本，將在這些型號后面添加 HV 兩個字母作為識別蚣殴。

(3) 42伏供電總線

預計在未來幾年內潜呻，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岗宣。但供電電壓若提高至42伏蚂会，電源的轉換效率便會下降，結果是得不償失耗式。

a. 效率上的考慮

我們若利用3.3伏的電池為電子系統(tǒng)提供所需的100mA供電胁住，系統(tǒng)的實際功耗只有330mW。低壓降穩(wěn)壓器芯片若利用12伏電池供電纽什，那么即使不將靜態(tài)電流計算在內措嵌，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)來說芦缰，系統(tǒng)功耗便等于42V*100mA=4.2W企巢。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)壓供電让蕾，其效率比利用傳統(tǒng)的12伏電池低3倍以上湖雹。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(=(Vout*Iout)/(Vin*(Iout+Iq))恬试。但降壓直流/直流轉換器的轉換效率會更高嵌屎。LM2675芯片若以12伏的輸入電壓工作，效率可高達90%迈堂，若以40伏的輸入電壓工作則可達82%列啃。LM5007芯片的轉換效率可高達93%。

圖1 LM2675 降壓直流/直流轉換器芯片的效率

b. 功耗方面的考慮低壓降穩(wěn)壓器芯片的效率很低耀佣，較易造成能源的浪費屉馋，而且所耗散的能量會積聚在一起，令周圍環(huán)境溫度上升，以致芯片的結溫也會隨著上升伶段。我們可以利用以下的公式計算出溫度的大約上升幅度：

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

c. 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婴悠，力求能滿足未來一代的需要。他們應該從現(xiàn)在開始便挑選可以支持42伏電池的穩(wěn)壓器汞坚，以免幾年后需要由零開始重新設計電源系統(tǒng)罐闰。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，這兩個系列穩(wěn)壓器芯片以及相關的器件都在(暫不可見)/appinfo/automotive/42V.html這個網頁上有詳細的介紹梦立。

氣囊的電源供應系統(tǒng)

即使是小型的汽車目前都設有6個氣囊噪芭，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)的特別芯片旬渤，該芯片必須能夠在撞車的緊急關頭立即啟動吏口。按照圖2所示，氣囊系統(tǒng)由多個部分組成冰更。

圖2 氣囊系統(tǒng)電路圖

爆管驅動器設于車廂之內产徊，而電池則設于車頭蓋之下。撞車時蜀细，爆管驅動器與電池之間的線路連接可能會因為撞擊而斷開舟铜，因此安全電容器一般會設于爆管驅動器的旁邊，以便驅動器的附近有足夠的儲電可以提供動力奠衔，為氣囊充氣谆刨。

以下簡單介紹氣囊系統(tǒng)的充氣過程。氣囊系統(tǒng)設有升壓轉換器归斤，一般來說痊夭，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)。進行充氣之前脏里，氣囊系統(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突降時可高達 40伏)她我，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3)迫横。之后才將這個較高的安全電壓調低至幾伏番舆，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飘缨，以確保其后幾級的低壓降穩(wěn)壓器出現(xiàn)較少壓降吗修。壓降越少，功耗也就越低很洽，效率也就越高鼠泊。

圖3 氣囊系統(tǒng)的電源分配結構-系統(tǒng)電路圖

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品川痛，其輸入電壓范圍也可滿足有關的要求乱感。LP2985系列芯片便屬于這類的穩(wěn)壓器蚜冀，其輸入電壓高達16伏肯铣，輸出電流為150mA蠢耻，結溫可高達125℃，適用于大部分的應用場合诉鸯。

LM9076穩(wěn)壓器芯片則適用于更高溫的工作環(huán)境威视，其接面溫度可高達150℃。這款穩(wěn)壓器可利用8伏的輸入電壓輸出150mA的電流及5伏的電壓躬挺。在額定的工作溫度及負載范圍內捂齐，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缩抡，因此工作時更為安全可靠奠宜。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瞻想，因此有助節(jié)省成本压真。由于Vsafe(Vbat(最高值)，而一級轉換器可用作升壓轉換器蘑险，因此無需采用布局較為復雜的sepic或回掃式的轉換器滴肿。降壓轉換器適用于降壓穩(wěn)壓器，后者成本也較低佃迄。由于低壓降穩(wěn)壓器無需利用高壓電源泼差，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

我們若采用開關穩(wěn)壓器作為輸入級呵俏，再以多個低壓降穩(wěn)壓器提供輸出堆缘，便可降低電源系統(tǒng)的整體成本。高功率的電源系統(tǒng)甚至必須采用這樣的設計普碎。圖4是其中一個示例怒忧。

圖4 可提供多個輸出的配置

確定最理想的局部電壓(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浸弦，Iout(最高值)=(Tj﹣Ta)／(θ(j,a)×(Vin﹣Vout))飘示。

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高弹噩。

本文總結

電源若采用恰當?shù)脑O計每竿，將有助降低系統(tǒng)開發(fā)的總體成本。若應用環(huán)境極為惡劣国赫，例如在電池電壓塞俗、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勉窟。目前市場上有很多專為汽車電源供應系統(tǒng)而設的穩(wěn)壓器芯片可供選擇皱埋。采用WEBENCH等免費的網上設計工具也有助降低設計成本以及縮短產品的上市時間。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拧移。即使是同一輛汽車哀卿，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識澡绩。

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