面向汽車應(yīng)用的線性調(diào)整器與開(kāi)關(guān)調(diào)整器的比較

多年來(lái)，人們一直預(yù)測(cè)低壓差線性調(diào)整器(LDO)要退出在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。但是，LDO調(diào)整器持續(xù)生存著甚至茁壯成長(zhǎng)，因?yàn)樗鼈兊膬r(jià)格便宜且使用方便。本文中，我將闡述LDO調(diào)整器的復(fù)雜性，考察市場(chǎng)上的最新進(jìn)展(確實(shí)有一些進(jìn)展)，并分析隨著汽車電源需求的持續(xù)攀升而向開(kāi)關(guān)型調(diào)整器轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。

新型線性調(diào)整器

線性調(diào)整器有什么新技術(shù)呢？讓我們首先看看輸出電容。目前，陶瓷電容都選擇的是0402封裝，大多數(shù)原因在于所改進(jìn)的材料已經(jīng)把它們的溫度范圍從125℃(257°F)提高到了150℃(302°F)，所改善的安裝方法減少了熱沖擊并提高了抗振能力。這些電容的小尺寸減少了它們的感性成分，進(jìn)一步提高了高頻性能。但是，陶瓷電容的關(guān)鍵特性是其低的等效串聯(lián)阻抗或ESR。

基本的閉環(huán)線性調(diào)整器系統(tǒng)由一個(gè)誤差放大器、輸出驅(qū)動(dòng)器和負(fù)載組成。圖1到3詳細(xì)描述了雙極型線性調(diào)整器的閉環(huán)頻率響應(yīng)，在保持系統(tǒng)設(shè)置和輸出容值相同的情況下，改變輸出電容的ESR可以看到其影響。具有1歐姆ESR(圖1)的電容為穩(wěn)定的；而具有0.01歐姆非常低 ESR(圖2)的電容就不穩(wěn)定；具有3歐姆較大ESR(圖3)的電容也不穩(wěn)定。

開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中有一條非常實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)法則：無(wú)論何時(shí)閉環(huán)增益大于或等于1，閉環(huán)相位永遠(yuǎn)不會(huì)落在360度的30度之內(nèi)。

大多數(shù)線性調(diào)整器并未給你提供測(cè)量穩(wěn)定性曲線的可接入點(diǎn)。取而代之的是，芯片制造提供一組與輸出電容的ESR數(shù)值相對(duì)應(yīng)的曲線，顯示哪些地方有可能出現(xiàn)穩(wěn)定性問(wèn)題。圖4所示為輸出電容ESR的不穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定區(qū)的典型差異，它取決于因輸出電流變化引起的輸出調(diào)整器電壓的變化。圖5所示為輸出電容數(shù)值上的不穩(wěn)定和穩(wěn)定區(qū)之間的差異。

負(fù)載響應(yīng)時(shí)間通常與IC穩(wěn)定性產(chǎn)品區(qū)域呈相反的規(guī)律變化。環(huán)路響應(yīng)時(shí)間一直被降低以提供更佳的穩(wěn)定性。用一個(gè)外部輸出電容可以補(bǔ)償大多數(shù)瞬態(tài)需求。要確保為你的需求提供一個(gè)數(shù)值足夠大的電容。要采用常用的電容方程：

來(lái)根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載的大小計(jì)算電容數(shù)值、瞬態(tài)時(shí)間和系統(tǒng)容許的輸出電壓降。

無(wú)論調(diào)整器處于加載或待機(jī)狀態(tài)下，靜態(tài)電流都是一個(gè)重要的指標(biāo)。歷史上，靜態(tài)電流不受重視。隨著汽車電子系統(tǒng)的增加，對(duì)現(xiàn)有電池和交流發(fā)電機(jī)的使用已經(jīng)達(dá)到了極限。半導(dǎo)體制造工藝對(duì)靜態(tài)電流的大小有一定影響，對(duì)于以兩種不同類型制造工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品，我們可以看到典型性能特征所受到的影響。圖6所示為以雙極工藝生產(chǎn)的器件，而圖7所示為以BCD工藝生產(chǎn)的器件。注意以BCD工藝制造的器件所具有的扁平線特性。

采用雙極工藝的器件在高負(fù)載上靜態(tài)電流會(huì)增加；采用BCD工藝的器件在小負(fù)載和大負(fù)載時(shí)都保持低的靜態(tài)電流。結(jié)果對(duì)模塊的靜態(tài)電流限制貢獻(xiàn)較低。

節(jié)省電流

在節(jié)省電流的控制中，你可以使用一種看門狗調(diào)整器(watchdog regulator)?？撮T狗調(diào)整器利用發(fā)往微處理器的喚醒信號(hào)實(shí)現(xiàn)節(jié)省電流。當(dāng)微處理器指令正在開(kāi)始運(yùn)作時(shí)，一個(gè)協(xié)同信號(hào)由微處理器發(fā)回到電壓調(diào)整器，向調(diào)整器提示它必須保持調(diào)整。一旦微處理器完成命令和指令，被發(fā)回調(diào)整器的反饋信號(hào)被取消。看門狗調(diào)整器識(shí)別這個(gè)事件，并把一個(gè)復(fù)位信號(hào)發(fā)回微處理器，將其關(guān)閉，如圖8所示。最終結(jié)果是節(jié)省電流，直到微處理器需要再次發(fā)出協(xié)同信號(hào)。

另一種節(jié)省調(diào)整器IC電流的方法是即刻關(guān)閉不需要工作的電路。只要不是立即要用的調(diào)整器電路，都可以關(guān)閉并工作在脈沖開(kāi)/關(guān)模式。這種方案對(duì)于寒冷或室內(nèi)溫度下的輕負(fù)載條件最佳。器件的溫度越高，漏電流就越大，工作就越復(fù)雜；環(huán)境溫度的上升或片上電源導(dǎo)致的裸片溫度上升，都會(huì)造成器件工作溫度的上升。

為此，越來(lái)越多的人選用雙調(diào)整器(在一顆芯片上有兩個(gè)獨(dú)立的輸出調(diào)整器)。有幾種微處理器現(xiàn)在就需要采用雙電源電壓。一個(gè)電源(通常是較低的電壓)為內(nèi)核供電，第二個(gè)電源為I/O供電。降低內(nèi)核電壓，就可以把更多的晶體管集成到芯片中，而不會(huì)讓器件溫度超過(guò)其封裝的限制。

雖然使用雙線性調(diào)整器(它使用更方便、更節(jié)省空間和成本)不節(jié)省靜態(tài)電流，但是，卻對(duì)節(jié)省功率和系統(tǒng)中的電源分配有貢獻(xiàn)。節(jié)省電流是因?yàn)樵陔p調(diào)整器內(nèi)采用了共用電路，如帶隙參考電壓和電流源偏置線。

在單芯片上集成多顆調(diào)整器IC，則使用方便、節(jié)省空間和成本，但是，受到IC中容許的功率大小的限制。

改善封裝就容許單個(gè)封裝消耗更大的功率。通過(guò)采用金屬引線框材料(暴露的焊盤, epad)，可以降低熱阻。與塑料封裝相比，金屬連接的引腳更容易傳導(dǎo)熱耗散。圖9所示為典型的暴露焊盤的封裝。該器件采用的是300mil、16引腳SOW暴露焊盤封裝，epad的面積為150 mil x 184 mil。

使用中超過(guò)制造商對(duì)器件溫度的限制(節(jié)點(diǎn)溫度通常大約是150℃/302°F)，就可能要么立即損壞調(diào)整器，要么因硅、邦定線和塑料封裝的熱膨脹系數(shù)不同而引發(fā)的應(yīng)力導(dǎo)致器件過(guò)早失效。隨著溫度的上升，故障率呈指數(shù)上升。人們正在研究提高這些電子元件的、可接受的工作溫度的辦法。

開(kāi)關(guān)調(diào)整器

除了我所描述的、已用過(guò)的所有新型線性調(diào)整器，開(kāi)關(guān)調(diào)整器的用途也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。開(kāi)關(guān)調(diào)整器比線性調(diào)整器要貴，因?yàn)橥獠吭?shù)更多。對(duì)它們進(jìn)行診斷也是隱性成本。本質(zhì)上看，開(kāi)關(guān)調(diào)整器所展示的特性，要具備處理電磁干擾問(wèn)題能力的工程師才能用好。

毫無(wú)疑問(wèn)，開(kāi)關(guān)調(diào)整器比LDO的效率更高。如表1所示，開(kāi)關(guān)調(diào)整器的效率為90%，而LDO的效率為36%。圖10顯示了大塊頭開(kāi)關(guān)調(diào)整器的典型效率曲線。

線性調(diào)整器的功耗可以簡(jiǎn)單地計(jì)算為(忽略靜態(tài)電流)負(fù)載電流乘以輸入和輸出之間的電壓差。圖11中的例子顯示了調(diào)整器有9V的電壓差，所以計(jì)算出的效率為35.7%，它與負(fù)載無(wú)關(guān)，但是，與輸入電壓有關(guān)，如下一個(gè)例子所描述的那樣。

提高線性調(diào)整器效率的唯一辦法是降低其電壓差。你在線性調(diào)整器旁邊用上一個(gè)開(kāi)關(guān)調(diào)整器(圖12)就行，這樣，線性調(diào)整器的輸入為6V直流電壓，而上面的例子中輸入是14V直流電壓。開(kāi)關(guān)器件可以有效地把輸入電壓調(diào)低到更為可管理的電壓并把該電壓分配來(lái)驅(qū)動(dòng)其它線性調(diào)整器。這種安排利用了開(kāi)關(guān)調(diào)整器的高效率和線性調(diào)整器的低成本。由于線性調(diào)整器不必連接到電池，從而進(jìn)一步節(jié)省了成本，因?yàn)榭梢圆捎酶碗妷旱钠骷?/p>

如圖13所示，跟圖11中35.7%的效率相比，整個(gè)系統(tǒng)的效率經(jīng)改善達(dá)到74.7%。

另外一種減少電流消耗的辦法是把開(kāi)關(guān)調(diào)整器和線性調(diào)整器的功能組合起來(lái)。開(kāi)關(guān)調(diào)整器在驅(qū)動(dòng)其設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的負(fù)載時(shí)最有效率。當(dāng)輸出電壓的負(fù)載不重時(shí)，保持開(kāi)關(guān)調(diào)整器開(kāi)關(guān)工作所需要的電流與其說(shuō)是一個(gè)屬性不如說(shuō)是一個(gè)負(fù)擔(dān)。在這樣的條件下，線性調(diào)整器的效率更高。

圖14所示的器件能夠在線性調(diào)整器和開(kāi)關(guān)調(diào)整器兩種工作模式之間切換。該模塊分為兩個(gè)獨(dú)立的工作部分：第一部分(綠色)支持系統(tǒng)擔(dān)當(dāng)一個(gè)升壓開(kāi)關(guān)調(diào)整器；第二部分(黃色)支持系統(tǒng)用作線性調(diào)整器。不受溫度影響的電壓參考源由兩部分共享。工程師可以根據(jù)輸出負(fù)載效率最大或EMI要求來(lái)選擇改變工作模式。當(dāng)負(fù)載非常輕時(shí)，線性調(diào)整器的效率較高；當(dāng)負(fù)載較重時(shí)，開(kāi)關(guān)調(diào)整器的效率較高。線性調(diào)整器的EMI性能永遠(yuǎn)優(yōu)于開(kāi)關(guān)調(diào)整器。

開(kāi)關(guān)調(diào)整器的其它應(yīng)用包括啟動(dòng)汽車。采用現(xiàn)代防盜系統(tǒng)的汽車，在試圖啟動(dòng)汽車時(shí)，要驗(yàn)證鑰匙是屬于這輛車的。來(lái)自引擎的重負(fù)載會(huì)造成電池電壓的急劇下降，但是不能造成燈光變暗或驗(yàn)證過(guò)程中所涉及的微處理器復(fù)位。

為了做到這一點(diǎn)，你需要能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供升壓及降壓的器件。其中一種辦法是采用圖15所示的SEPIC(單端初級(jí)線圈電感轉(zhuǎn)換器)。電容C1必須能承受該系統(tǒng)正常的高壓工作限制(就回掃脈沖而言)，并且該高壓負(fù)載能夠削去(包括其它瞬變脈沖)通過(guò)電感L1的脈沖。這意味著需要一個(gè)高壓電容來(lái)維持最高的效率，電容的ESR要低，因?yàn)榇箅娏饕ㄟ^(guò)該器件。一些工程師討厭流過(guò)電容的大電流。過(guò)熱可能會(huì)導(dǎo)致可靠性問(wèn)題或電容的老化(開(kāi)路或短路)。

解決該問(wèn)題的另一個(gè)方案是采用配備雙模轉(zhuǎn)換器的通過(guò)區(qū)技術(shù)(pass-through zone technology)，這在降壓和升壓工作模式之間創(chuàng)造了平滑的轉(zhuǎn)換區(qū)，與此同時(shí)，確保所需要的降壓/升壓操作。如圖16所示。

在正常的操作中，晶體管Q1擔(dān)當(dāng)降壓開(kāi)關(guān)調(diào)整器的工作，與此同時(shí)，控制電路保持Q2關(guān)閉。當(dāng)Vbat的輸入電壓急劇下降時(shí)，Q1 100%打開(kāi)而Q2啟動(dòng)該電路為升壓開(kāi)關(guān)調(diào)整器。電阻Rpassthrough幫助設(shè)置工作轉(zhuǎn)換，其中有一個(gè)通過(guò)區(qū)，經(jīng)調(diào)整的輸出電壓稍微變化以為工作模式的轉(zhuǎn)換提供平滑的轉(zhuǎn)換。

現(xiàn)有汽車系統(tǒng)中可用的電力有限，從工程的觀點(diǎn)看，開(kāi)關(guān)調(diào)整器的效率比線性調(diào)整器要高很多。開(kāi)關(guān)調(diào)整器具有最多的集成功能，但是，給系統(tǒng)增加的成本也最多。是現(xiàn)在最多功能的開(kāi)關(guān)調(diào)整器，還是選擇功能較少的線性調(diào)整器？這取決于消費(fèi)者是否為此買單。