華強(qiáng)電子世界網(wǎng) 美國國家半導(dǎo)體歐洲公司應(yīng)用工程師 Olivier Wilms

    新款的汽車采用越來越多精密的電子零件。這個發(fā)展趨勢清楚顯示芯片廠商開發(fā)新芯片時，將會面對很多新的挑戰(zhàn)。汽車電子系統(tǒng)的操作環(huán)境極為惡劣，例如汽車的使用期較長，操作的溫度范圍較為廣闊，此外，還有電磁干擾和電磁兼容性以至機(jī)械性能等問題需要解決。換言之，“芯片產(chǎn)品的整體成本承受很大的壓力，但技術(shù)上又要像軍用產(chǎn)品那樣必須符合嚴(yán)格的要求”。價格是另一個越來越備受關(guān)注的問題。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)，才可滿足車主的要求。汽車的設(shè)計(jì)周期必須縮短，以確保新車可以盡快推出市場。

　　本文將會集中討論如何為汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本低廉的電源供應(yīng)器，文中會深入討論系統(tǒng)的設(shè)計(jì) (及重新設(shè)計(jì))、可靠性以及芯片成本等問題，并探討有關(guān)問題的解決辦法。

　　1  設(shè)計(jì)流程

　　美國國家半導(dǎo)體很早便已推出一套用途非常廣泛的WEBENCH網(wǎng)上設(shè)計(jì)工具，以協(xié)助系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)電源供應(yīng)器。自從這個網(wǎng)站面世以來，很多公司爭相仿效。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師即使對電源供應(yīng)器的設(shè)計(jì)認(rèn)識不深，也可將最高及最低輸入電壓、輸出電壓及電流、溫度范圍等設(shè)計(jì)參數(shù)輸入 WEBENCH 網(wǎng)頁，讓網(wǎng)上的設(shè)計(jì)軟件為他們挑選一些切合其設(shè)計(jì)需要的電源管理芯片。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師跟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(nèi)含電源開關(guān)及控制器的Simple Switchers系列開關(guān)穩(wěn)壓器芯片。芯片選定之后，WEBENCH 的設(shè)計(jì)軟件接著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(jìn)行模擬測試，以測試系統(tǒng)的電子特性以至其散熱能力。

　　WEBENCH網(wǎng)上設(shè)計(jì)工具非常容易使用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師只要利用這套設(shè)計(jì)工具便可迅速完成電源供應(yīng)器的設(shè)計(jì)。這個設(shè)計(jì)網(wǎng)站的數(shù)據(jù)庫儲存了數(shù)百款芯片的資料。所有設(shè)計(jì)工具都可支持多種不同的結(jié)構(gòu)。工程師完成設(shè)計(jì)之后，可將整份設(shè)計(jì)傳送給有關(guān)的同事或供應(yīng)商以供他們參考。他們甚至可以在網(wǎng)上訂購模板，供應(yīng)商保證有關(guān)產(chǎn)品幾日內(nèi)便可送到客戶手中。所需的分立元件也會跟模板一并寄出，工程師只需將分立元件焊在電路板上便可，這樣可確保產(chǎn)品更快推出市場。

　　使用這套設(shè)計(jì)工具無需繳付非常昂貴的模擬測試授權(quán)費(fèi)。由確定技術(shù)參數(shù)至電路布局的構(gòu)思，整個設(shè)計(jì)過程都可獲得支持。工程師可以挑選合適的芯片進(jìn)行電子及熱能方面的模擬測試。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師只要采用這套設(shè)計(jì)工具，便可節(jié)省設(shè)計(jì)及調(diào)試時間，換言之，這套設(shè)計(jì)工具可為公司節(jié)省更多開發(fā)成本。此外，許多公司雖然擅長設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)，但對電源供應(yīng)器的設(shè)計(jì)反而認(rèn)識不深。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(shè)計(jì)工具，便無需尋求外援，使這方面的開支也可節(jié)省下來。

　　2  新時代、新挑戰(zhàn)

　　2.1　　靜態(tài)電流

　　汽車工業(yè)的發(fā)展一日千里，新的挑戰(zhàn)不斷涌現(xiàn)。例如，汽車電子系統(tǒng)所要求的靜態(tài)電流標(biāo)準(zhǔn)也越趨嚴(yán)格。越來越多汽車制造商要求芯片供應(yīng)商為他們提供靜態(tài)電流低于 100uA 的 ECU 芯片。汽車廠商是有這個實(shí)際需要的，因?yàn)殪o態(tài)電流若果不夠低，汽車在連續(xù)停泊數(shù)星期之后，車內(nèi)的電池便會因多日不用而無法重新啟動。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(guān)穩(wěn)壓器仍然會耗用一定的電量，因?yàn)殚_關(guān)穩(wěn)壓器采用金屬氧化半導(dǎo)體 (MOS) 技術(shù)制造，而開關(guān)啟動時會產(chǎn)生小量電阻。由于要輸出大量電流，因此需要裝設(shè)許多開關(guān)，令耗電量也相應(yīng)大增。這個方案極少采用的原因亦在于此。

　　2.2　　負(fù)載傾卸

　　第二個要面對的問題是負(fù)載傾卸 ，解決的方法則完全不同。以往美國國家半導(dǎo)體的客戶都要求芯片必須設(shè)有過壓保護(hù)功能。但目前越來越多汽車電子系統(tǒng)，例如駕駛盤動力操控系統(tǒng)，早在燃點(diǎn)引擎時便已開始操作，因此芯片必須能夠在負(fù)載傾卸時正常運(yùn)作。正因如此，美國國家半導(dǎo)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(shè)這個過壓保護(hù)功能。大受歡迎的 LM9070、LM9071 及 LM9072 芯片便是設(shè)有這個功能的幾款低壓降穩(wěn)壓器。這些產(chǎn)品的型號之后都加上 HV 兩個字母作為識別，以表示這是輸入電壓范圍更為廣闊的版本。

　　2.3　　42伏供電總線

　　預(yù)計(jì)在未來幾年內(nèi)，新推出的汽車都會采用 42 伏 (V) 的供電總線。采用 42 伏供電總線的好處是可以減低汽車的耗電量及電纜的重量。但供電電壓若提高至 42 伏，電源供應(yīng)器的轉(zhuǎn)換效率便會下降，結(jié)果是得不償失。

　　2.3.1　　42 伏 - 效率方面的考量

　　我們?nèi)衾?3.3 伏 (V) 的電池為電子系統(tǒng)提供所需的 100mV 供電，系統(tǒng)的實(shí)際功耗只有 330mW。低壓降穩(wěn)壓器芯片若利用 12 伏電池的供電，那么即使不將靜態(tài)電流計(jì)算在內(nèi)，系統(tǒng)的整體功耗也不會少