每年，车用装置持续不断地导入复杂的电子系统，以提高舒适度、安全性及效能，并同时将可能产生伤害的程度降至最低。 IC Insights 便预测，汽车半导体市场将从2006年的140亿美元攀升至2008年的181亿美元以上。而另一市调公司Strategy Analytics也抱持相同的正面观点：今日，电子系统的成本分担已超过一辆汽车典型成本的22％以上，且此数据将于2008年跃升至30％以上。

约在五年前，这些电子系统的典型实例，如车内娱乐系统、安全系统、引擎管理、防碰撞雷达、卫星无线电和TV、LED照明、免持手机以及其它无线连接元件等，只有在高档的欧洲豪华车款才能见到，但这些系统现已被汽车制造商视为主流车款的标准配备，因而正加速着汽车IC的快速成长。

其中一项新兴的电子应用，来自引擎控制管理。随着全球相关标准越趋严苛，对于汽油行驶哩程数的要求越来越高，消费者的需求甚至高于效能。一旦这些要求彼此冲突时，采用「智慧型」引擎控制系统，以透过各式感测器及无数DSP，将使汽车制造商能以更干净的引擎获得更高层次的引擎效益。相关电子也形成了在安全、温度控制、照明、导航及无线连接，以及底盘控制系统上的革新。与此同时，这些新系统也为驾驶者及整体环境提升了安全性、效能及舒适度。

这些系统所运用的元件数不断增加，但可获得的空间却持续被压缩，因而也大幅增加了每一系统的电子密度。所有这些系统均需要电源转换IC，通常针对每个次系统具备多重电源端。对于效率及小尺寸并非主要考量的应用而言，线性稳压器提供主要的电源转换；但由于高电源密度的增加，及许多应用要求相关的高周遭温度，因此任何实用的散热装置都显得太大而不实用，也因为这种空间的限制和工作温度区间的需求，让电源转换效率变得相当重要。

在低输出电压和高于几百毫安培的中等电流位准下，简单地利用线性稳压器以提供这些系统电压已不切实际，因其会产生太多的热。这些限制的结果，造成以开关式稳压器取代线性稳压器。开关式稳压器的好处包含效率的提升、较小的接脚占位，而这些足以弥补额外的设计复杂度和EMI等问题。

本文主要目的，在探讨这些新汽车应用电源IC如何符合所有环境所提出的新需求，这些需求在汽车环境中，对于任何IC的电气特性及耐热性都是严苛的。

《图一 36V负载突降状态及冷启动状态》

针对低供应电流提供「Always-On」系统

除了负载突降及冷启动要求，许多电子次系统都被要求以「待机模式」操作以消耗最低的静态电流。这些电路可见于大部分导航、安全、保安及引擎管理电子电源系统，每个次系统均可使用数个微处理器及微控制器。事实上，大部分豪华车款便内建多达60至100颗此类DSP。

多数DSP以两种模式工作。第一，当汽车处于启动状态时，其一般会以由电池或充电系统所灌入的全电流工作。然而，当车辆停止运转时，许多此类微处理器必须维持「待命（alive）」的状态，因此会从电池汲取电源。由于有多达30颗用于导航、保全、空调控制和引擎管理系统的这类「Always-On」处理器之存在，导致对引擎停止运转后的持续电力需求有着日益增加的趋势。

同样的，驱动这些「Always-On」处理器需要数百毫安培（mA）的供应电流，而这些微处理器可能在几天的时间内便完全耗尽一颗电池电力，例如2～3周的商务旅行后，豪华汽车内的电池将可能无法启动引擎。这些电源供应器的静态电流必须被降低，以保持电池寿命，且不大量增加电子系统之尺寸或复杂度。直到最近，高输入电压能力和低静态电流的需求才成为DC/DC转换器彼此间专有的参数。如果一辆车的每个高电压降压转换器需要2至10mA的供应电流，联合数个这种转换器和其它必要的「Always-On」系统，例如ABS煞车、 电动窗所引起的漏电流和其它「Always-On」系统的主机等，将对电池形成极大的电力消耗。

为了更完善管理这些电力需求，许多汽车制造商提出以100μA为每个「Always-On」DC/DC转换器低静态电流的目标。直到最近，系统制造商被要求将一个低静态电流的LDO与降压转换器并联，每当汽车停止运转，便从转换器切换到具有更低电流的LDO，但这个解决方案却较昂贵、庞大且缺乏效率。凌力尔特的36V至60V输入电压范围、小于100μA的降压DC/DC转换器系列，如(表一)所示，具备Burst Mode操作的开关稳压器为「Always-On」问题提供了极精小和有效率的解决方案。

《图二 60V负载突降状态及冷启动状态》

负载突降状况和冷启动状况

「负载突降」是一种当发电机对电池充电时，电池电线突然断开的情况。其发生原因可能是汽车运作时电池电线的松弛，或汽车行进时电池电线的断裂。电池电线的突然断开会造成达60V的瞬变电压突波（请见图一及图二，相关的36V及60V瞬变），这是因为发电机正试图全力输出充电。发电机上的transorb经常会将线路电压钳位在36V到60V之间，并且吸收大部分的涌浪电流；然而，发电机下游的DC/DC转换器却也接收了这36V到60V的瞬间突波。因为这些转换器以及其所供电的次系统都被期望在这些暂态发生时、和发生后皆能持续工作，因此，这些DC/DC转换器能否处理高电压瞬间突波便显得相当重要。目前已存在各种保护电路，经常使用的是transorb，这些电路可以建置于外，但却会增加成本与浪费宝贵的空间。

「冷启动（Cold Crank）」是一种当汽车引擎放置在酷冷或冰温一段时间后所发生的状况，其引擎油会变得非常黏稠，且启动马达必须传输更多扭力，于是将从电池汲取更多电流。此大电流负载在汽车点火启动时，会将电池/主线路电压拉低至4.0V，之后电压便会回升到12至13.8V（请见图一）。对于某些应用，如引擎控制、安全及导航系统等需求稳定输出电压（通常为3.3V）而言，能完好地历经冷启动过程而工作是相当必要的。

《图三a LT3480架构图》

《图三b LT3480效率图》

可用方案

根据输出电流及瞬间保护所需之位准，凌力尔特具有几个能操作于冷启动及负载突状状态的开关稳压器，并只需少于100μA的静态电流，请见(表一)。其中一个很好的实例，是LT3480，其为一款2A、38V降压开关稳压器，具备达60V之输入瞬间保护。在无负载待机状态时，Burst Mode操作能使静态电流保持在70μA以下。

LT3480的3.6V至38V输入电压范围及60V瞬间保护，使其成为汽车应用常见之负载突降及冷启动状态的理想选择。如表一所示，LT3480可于36V瞬间变化时稳压3.3V输出。如图二所示，LT3480可于超过41.5V时自动关机，以提供自我及电路下游元件之保护。当瞬间变化降至38V以下时，LT3480 将回复到稳压状态。

此外，其3A内部开关可提供达2A的连续输出电流至低至0.79V的电压。 LT3480的Burst Mode操作，提供仅70μA（请见图三）的无负载静态电流，非常适合于要求「Always-On」操作和最佳电池寿命的汽车、或电讯系统等应用。其开关频率可由用户设定，范围从200kHz到2.4MHz，让设计人员可最佳化效率外，还可避开杂讯敏感频带 。结合3mm×3mm DFN-10封装（或热强固型MSOP-10E）与高开关频率，使外部电感和电容尺寸得以缩小，而提供一个非常精小、而能有效散热的接脚占位。

《图四 LT3480无负载静态电流vs.输入电压》

LT3480使用一个高效率3A、0.5Ohm开关，并将必要的升压二极体、振荡器、控制与逻辑电路全整合至单一晶粒内。低涟波Burst Mode操作在低输出电流时除可维持高效率外，还可保持输出涟波低于15mVPK-PK。特殊设计技巧与一个新的高电压制程，能于宽广的输入电压范围均达到高效率，其电流模式架构则展现快速瞬间变化响应和绝佳回路稳定性。其它特性尚包含外部同步化（从250kHz至2MHz）、电源良好标志和软启动能力。

汽车环境中的热限制

除了汽车应用中严苛的电子环境，高温也是一项挑战。由于许多电子零件分享汽车电路板中的主要资源，因此热管理显得相当重要。引擎盖下的相关应用典型需要125℃或更高的周遭温度，而主要的电子设施如导航/资讯娱乐系统、电表均面临着高温的挑战，因为这些系统都相当靠近汽车的绝热板，其具备高周遭温度及非常高的电子密度。所有电子均会因热而耗损相当多的电源，而在电源转换器中对于热的管理，最主要是最大化每个转换器的效率，使功耗与热降至最低。过去几年来，这是以开关稳压器取代LDO的主要原因之ㄧ。

除特定元件效率外，每个电源转换器元件拥有非常具散热效率的封装，以将热从IC中传导出去。凌力尔特透过将汽车零件置入最具热效益的封装中，达成了这项目的。以无铅封装而言，如DFN及MSOP与TSSOP封装均拥有散热强化设计，其于封装底部置入导热垫而能降低2倍热阻抗。

为符合大部分高温应用之需求，如引擎盖下之相关应用。凌力尔特提供了「H」等级转换器系列产品，其能以140℃或150℃（依据各元件不同）接面温度操作。完整的产品表列请见(表二)。

举例而言，一个执行于12V的应用，可提供稳压5V、及1A输出电流，一个仅提供41％效率之LDO，将消耗7W功率，其需要实质散热片以避免热失误，甚至是在80 ℃时。相反的，如LT3480(图四)之开关稳压器，其效率达90％，将只消耗外部0.5W功率。透过TSSOP-16E所拥有的45℃/WthetaJA ，所造成的温升为22.5℃，因此能针对工业等级元件（125℃）操作于102.5℃周遭温度，以及针对「H」等级额定元件操作于137.5℃周遭温度。

结论

在汽车应用中，特殊电子次系统的快速成长对车用电源 IC 带来了极严格的效能需求。从电源供应器操作于汽车电源汇流排何处，将决定其可能面临负载突降和冷启动、以及高周遭温度之状况。此外，某些这类系统更被要求以「Always-On」、待机模式等操作以消耗最小的供应电流。由于汽车中的电子系统不断增加，因此如何将方案接脚占位减至最小、并将散热效益达到最高，将是成功关键。幸运的是，某些电源IC制造者创造出了能符合这些需求的解决方案，为未来车款之更高阶电子系统提供了最佳方​​案。

---作者为Linear凌力尔特产品行销工程师---