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早期的汽車只有電子時(shí)鐘是屬于必須長(zhǎng)期開(kāi)啟的電予零件。但多年來(lái)，汽車不斷添加新的電于裝置并引進(jìn)新的技術(shù)，因此，必須長(zhǎng)期開(kāi)啟的電子系統(tǒng)不斷增加。目前，先進(jìn)的駕駛員信息系統(tǒng)以及娛樂(lè)、遠(yuǎn)程信息系統(tǒng)已成為豪華轎車的標(biāo)準(zhǔn)配置。這些系統(tǒng)必須長(zhǎng)期開(kāi)啟，以確保汽車閑置不用時(shí)，其中的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。 設(shè)計(jì)汽車電子系統(tǒng)的工程師必須留意汽車電子系統(tǒng)的功耗，尤其是負(fù)載極低但必須長(zhǎng)期開(kāi)啟的電子系統(tǒng)，并確保這類系統(tǒng)的累加功耗可以減至最少。 長(zhǎng)期開(kāi)啟的電子系統(tǒng) 雖然本文主要討論汽車電子系統(tǒng)，但市場(chǎng)上許多其他電子裝置也需要配備長(zhǎng)期開(kāi)啟的功能，例如利用電池供電的電子裝置，其中包括便攜式醫(yī)療設(shè)備(例如胰島素輸送泵)或配備后備電池的機(jī)頂盒，便屬于這類必須長(zhǎng)期開(kāi)啟的電子設(shè)備。 上述電子裝置都有一個(gè)共通點(diǎn)，那就是：系統(tǒng)即使已轉(zhuǎn)用待機(jī)模式，仍需繼續(xù)執(zhí)行一些基本的功能。輕載系統(tǒng)的效率越高，電池的壽命便越長(zhǎng)。 由于待機(jī)時(shí)間要進(jìn)一步延長(zhǎng)，因此耗電量也隨著增加，尤其是采用全功率工作模式時(shí)，系統(tǒng)的耗電量大增。因此，這類系統(tǒng)的待機(jī)模式及全功率工作模式一般都會(huì)從不同的供電干線分別獲得供電。換言之，即使不同干線的供電電壓完全相同，電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也會(huì)各不相同。 讓負(fù)載范圍較廣的系統(tǒng)發(fā)揮更高的效率 一直以來(lái)，長(zhǎng)期開(kāi)啟的5V電源都采用靜態(tài)電流(Iq)極低的線性低壓降穩(wěn)壓器。為了滿足低電壓工作的要求，越來(lái)越多的廠商紛紛調(diào)低其產(chǎn)品的工作電壓。長(zhǎng)期開(kāi)啟的供電系統(tǒng)也必須順應(yīng)這個(gè)潮流。 許多供電系統(tǒng)已采用低至3.3V的電壓，估計(jì)在不久的將來(lái)，這類低壓供電系統(tǒng)會(huì)越趨普及，而供電電壓很有可能進(jìn)一步降低至2.5V或以下。但由于系統(tǒng)所需的整體供電量不斷上升，因此，負(fù)載電流不降反升。正因如此，低壓降穩(wěn)壓器很多時(shí)候無(wú)法滿足要求。由于低壓降穩(wěn)壓器的效率極低，因此負(fù)載電流越高，功率耗散也就越大，令低壓降穩(wěn)壓器面臨越來(lái)越大的挑戰(zhàn)。 無(wú)論輸出電流有多少，低壓降穩(wěn)壓器的最高效率都不會(huì)超過(guò)27.5％(輸入電壓12V，輸出電壓3.3V，最高效率：3.3V／12V=27.5％)。這一公式并未將低壓降穩(wěn)壓器的供電電流計(jì)算在內(nèi)。若將此一并計(jì)算，實(shí)際的效率會(huì)更低。 目前，很多低靜態(tài)電流低壓降穩(wěn)壓器都可參照負(fù)載電流的大小來(lái)調(diào)節(jié)偏置電流。例如，若負(fù)載電流較低，偏置電流便會(huì)降至最低，以確保最高效率，但這樣會(huì)減慢穩(wěn)壓速度。若負(fù)載相當(dāng)高，穩(wěn)壓器便會(huì)提高偏置電流，以確保理想的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。 由于系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)越趨復(fù)雜，低靜態(tài)電流供電系統(tǒng)為不同負(fù)載提供的總電流量便持續(xù)上升，這是一個(gè)無(wú)法避免的趨勢(shì)。 此外，市場(chǎng)上雖然有許多低靜態(tài)電流、高輸入電壓的低壓降穩(wěn)壓器解決方案，但大部分方案的最高輸出電流都不超過(guò)100mA。即使這些解決方案可以提供較高的輸出電流，系統(tǒng)功耗也隨之增加，使問(wèn)題變得更為復(fù)雜。 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器解決方案 要解決上述問(wèn)題，可以考慮采用開(kāi)關(guān)式電源解決方案，這樣可以解決高輸出電流的效率問(wèn)題。但即使解決了舊問(wèn)題，新的問(wèn)題又會(huì)出現(xiàn)，例如輕載的設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生許多其他問(wèn)題。大部分采用開(kāi)關(guān)式電源解決方案的汽車電子系統(tǒng)都采用開(kāi)關(guān)頻率同定不變的PWM控制設(shè)計(jì)。 PWM控制方法的主要優(yōu)點(diǎn)是電磁兼容性(EMC)的表現(xiàn)較容易準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，而且需要時(shí)可以按照設(shè)定的開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化所有濾波功能。但PWM模式也有其局限，例如在輕載的情況下，效率不理想。 脈沖頻率調(diào)制模式 另一種解決方案是采用脈沖頻率調(diào)制(PFM)的控制方法，其特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率可以隨負(fù)載電流而改變。換言之，負(fù)載電流越低，開(kāi)關(guān)頻率也就越低，這樣可大幅減少輕載電流所產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗。 此外，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的功耗也會(huì)減少，因?yàn)檫@種穩(wěn)壓器的電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，而體積也較小。系統(tǒng)也可以在更寬的負(fù)載范圍內(nèi)發(fā)揮更高的效率，但負(fù)載若降至接近最低的極限，以致電流低于1mA，效率便未必這么理想。另一個(gè)缺點(diǎn)是由于開(kāi)關(guān)頻率并不固定，電磁兼容性的表現(xiàn)便較難預(yù)測(cè)，甚至需要投入更多資源改善設(shè)計(jì)。因此，汽車電子系統(tǒng)很少采用這種解決方案。 磁滯控制 利用磁滯進(jìn)行控制是另一種較為可行的解決方案。像PFM模式一樣，即使在輕載的工作情況下，系統(tǒng)也可調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率，例如頻率會(huì)隨著負(fù)載的減少而下降。因此，負(fù)載越低，效率越高，這是它的優(yōu)點(diǎn)。 但在高負(fù)載工作情況下，系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率則取決于不同的元件參數(shù)及工作情況。例如，輸入電壓、負(fù)載電流、電感值、輸出電容器以及等效串聯(lián)電阻對(duì)開(kāi)關(guān)頻率都有很大的影響。 上述參數(shù)的數(shù)值大部分都會(huì)隨著溫度的變化而變動(dòng)。若將這些因素加在一起，開(kāi)關(guān)頻率及電磁兼容性的表現(xiàn)會(huì)變得更難預(yù)測(cè)。 脈沖模式 只具有脈沖模式的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器則采用另一種極為簡(jiǎn)單的控制方法，這個(gè)方案的占空比很固定。換言之，開(kāi)關(guān)頻率是恒定的，而且穩(wěn)壓器可在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)保持較高的效率。 我們必須為開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)定工作條件，確保芯片即使在最高負(fù)載及最低輸入電壓的工作情況下仍可充分發(fā)揮其性能。開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的波形無(wú)論處于整個(gè)工作范圍內(nèi)的哪一位置，都很像已進(jìn)行100％調(diào)制的振幅調(diào)制信號(hào)。 調(diào)制頻率的高低取決于輸入電壓及負(fù)載電流，而且調(diào)制后的頻率可能會(huì)產(chǎn)生低頻噪聲，例如會(huì)令ADC等模擬系統(tǒng)產(chǎn)生諧波及錯(cuò)誤。 因此，即使采用固定開(kāi)關(guān)頻率，電磁兼容性及模擬系統(tǒng)的性能都較難預(yù)測(cè)，所以，該方案也不理想。 理想的結(jié)構(gòu) 以上的各種開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器都無(wú)法在最寬的負(fù)載范圍內(nèi)改善系統(tǒng)的效率，因此其成效都不夠理想。看來(lái)，理想的解決方案必須集合上述各方案的優(yōu)點(diǎn)，才可確保系統(tǒng)在最寬的負(fù)載范圍內(nèi)發(fā)揮最高的性能。這款理想的芯片應(yīng)具備以下的優(yōu)點(diǎn)： ·設(shè)有脈沖模式，可以在負(fù)載較低時(shí)維持較高的效率。 ·停止開(kāi)關(guān)工作時(shí)，偏置電流會(huì)下降，以便進(jìn)一步提高輕載工作的效率。 ·設(shè)有PWM模式，確保系統(tǒng)可在正常負(fù)載下符合電磁兼容性的最嚴(yán)格規(guī)定。 ·開(kāi)關(guān)頻率可以同步及加以調(diào)節(jié)，確保設(shè)計(jì)更具靈活性。 LM26001 LM26001是一款單芯片的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，其特點(diǎn)是集以上各優(yōu)點(diǎn)于一身，最適用于效率要求較高而又必須設(shè)有低功率待機(jī)模式的系統(tǒng)。最重要的一點(diǎn)是，這款穩(wěn)壓器可以連續(xù)不斷地提供1.5A的輸出電流。由于低電流睡眠模式的靜態(tài)電流低干40μA(典型值)，因此，即使負(fù)載極低，系統(tǒng)也可維持極高的效率。 這款開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器采用電流模式的PWM控制方法，可以在寬的輸入電壓范圍內(nèi)提供高度準(zhǔn)確的穩(wěn)壓輸出。這款芯片適用于4.0V～38V之間的寬輸入電壓范圍，甚至在線路瞬態(tài)期間仍可利用低至3V的輸入電壓工作。工程師只需利用一個(gè)電阻，便可調(diào)校工作開(kāi)關(guān)頻率(150kHz～500kHz)，甚至將開(kāi)關(guān)頻率調(diào)校至與外置時(shí)鐘同步。 部分系統(tǒng)必須通過(guò)調(diào)諧功能將開(kāi)關(guān)頻率調(diào)校至使用中的射頻頻帶范圍之外。對(duì)于這類應(yīng)用來(lái)說(shuō)，上述的同步功能便顯得尤其重要。此外，也有部分系統(tǒng)采用多個(gè)并行連接的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。對(duì)于這類應(yīng)用來(lái)說(shuō)，同步功能可以緩解輸入電容器所承受的壓力。 除了電流模式PWM開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的各組典型電路，LM26001還包括額外添加的功能塊，例如睡眠復(fù)位、睡眠設(shè)定、FPWM／睡眠控制以及開(kāi)關(guān)控制等都是以上所說(shuō)有助于降低靜態(tài)電流的功能塊。 睡眠模式 睡眠模式基本上有兩個(gè)工作周期，開(kāi)關(guān)時(shí)，芯片會(huì)進(jìn)入脈沖工作周期，停止開(kāi)關(guān)時(shí)，芯片則會(huì)進(jìn)入低靜態(tài)電流工作周期。換言之，這款開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可以在睡眠與正常工作這兩種模式之間自動(dòng)切換。若負(fù)載較低，反饋引腳(FB)電壓便會(huì)上升，而補(bǔ)償引腳(COMP)電壓則會(huì)下降。若補(bǔ)償引腳電壓下降至0.6V的鉗位電壓閾值，而反饋引腳電壓上升至超過(guò)其額定值的1％，睡眠模式便會(huì)啟動(dòng)，而開(kāi)關(guān)工作則會(huì)停止(睡眠設(shè)定功能塊)。 穩(wěn)壓器進(jìn)入睡眠模式之后，便會(huì)處于睡眠狀態(tài)，直至反饋引腳電壓下降至復(fù)位閾值(睡眠復(fù)位功能塊)，芯片便會(huì)恢復(fù)開(kāi)關(guān)工作。FPWM／睡眠控制功能塊負(fù)責(zé)監(jiān)控所有信號(hào)。這個(gè)1％反饋引腳窗口可將相關(guān)的輸出紋波振幅限定在額定輸出電壓的1％之內(nèi)。 由于LM26001并非直接測(cè)量負(fù)載電流，而是間接通過(guò)補(bǔ)償引腳電壓進(jìn)行測(cè)量，因此，決定選用睡眠還是正常工作模式所依據(jù)的閾值會(huì)隨著開(kāi)關(guān)頻率、電感值及占空比的變動(dòng)而上下波動(dòng)。 即使如此，PWM模式的最輕載也會(huì)低很多。由于電磁兼容性更理想(即PWM超脈沖串)，因此，輸出電流可以進(jìn)一步調(diào)低。為了充分利用這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，LM26001芯片設(shè)有強(qiáng)制PWM(即FPWM)輸入引腳，讓微控制器可以指令LM26001必須采用PWM模式工作。 設(shè)計(jì)的成敗取決于成本效益，但在個(gè)別情況下(例如射頻系統(tǒng)正在工作)，這是較為理想的選擇。此外，若系統(tǒng)正準(zhǔn)備全功率工作，以強(qiáng)制方式指令LM26001芯片必須采用PWM模式工作不失為較好的選擇，因?yàn)檫@樣可確保負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)更為理想。若芯片被逼采用PWM模式工作，而負(fù)載則下降至極低的水平，芯片便會(huì)進(jìn)入睡眠模式，以確保輸出不會(huì)出現(xiàn)過(guò)壓。 更低的偏置電流 進(jìn)入睡眠模式之后，芯片會(huì)關(guān)閉所有無(wú)需工作的功能塊，以減低耗電量。此外，若偏壓引腳(VBIAS)連接了輸出電壓(3.3V或5V)，開(kāi)關(guān)控制功能塊便會(huì)負(fù)責(zé)提供部分電流，以滿足工作需要。這個(gè)設(shè)計(jì)的好處是芯片可以在大部分時(shí)間內(nèi)進(jìn)行低電壓工作，有助于提高效率。 結(jié)語(yǔ) 由于汽車的工作環(huán)境極為復(fù)雜，因此，汽車電子系統(tǒng)必須采用可在寬負(fù)載范圍內(nèi)支持高效率工作的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。LM26001將輕載系統(tǒng)的供電電流降低至40μA，確立了一個(gè)新的技術(shù)指標(biāo)。 |
