華強電子世界網 美國國家半導體歐洲公司應用工程師 Olivier Wilms

    新款的汽車采用越來越多精密的電子零件。這個發展趨勢清楚顯示芯片廠商開發新芯片時，將會面對很多新的挑戰。汽車電子系統的操作環境極為惡劣，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械性能等問題需要解決。換言之，“芯片產品的整體成本承受很大的壓力，但技術上又要像軍用產品那樣必須符合嚴格的要求”。價格是另一個越來越備受關注的問題。出廠的汽車必須安全可靠，能長時間保持最佳的性能狀態，才可滿足車主的要求。汽車的設計周期必須縮短，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設計成本低廉的電源供應器，文中會深入討論系統的設計 (及重新設計)、可靠性以及芯片成本等問題，并探討有關問題的解決辦法。

　　1  設計流程

　　美國國家半導體很早便已推出一套用途非常廣泛的WEBENCH網上設計工具，以協助系統設計工程師設計電源供應器。自從這個網站面世以來，很多公司爭相仿效。系統設計工程師即使對電源供應器的設計認識不深，也可將最高及最低輸入電壓、輸出電壓及電流、溫度范圍等設計參數輸入 WEBENCH 網頁，讓網上的設計軟件為他們挑選一些切合其設計需要的電源管理芯片。

　　系統設計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含電源開關及控制器的Simple Switchers系列開關穩壓器芯片。芯片選定之后，WEBENCH 的設計軟件接著會為工程師提供一個附有電路圖的系統解決方案，以便工程師可以利用電路圖進行模擬測試，以測試系統的電子特性以至其散熱能力。

　　WEBENCH網上設計工具非常容易使用，系統設計工程師只要利用這套設計工具便可迅速完成電源供應器的設計。這個設計網站的數據庫儲存了數百款芯片的資料。所有設計工具都可支持多種不同的結構。工程師完成設計之后，可將整份設計傳送給有關的同事或供應商以供他們參考。他們甚至可以在網上訂購模板，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，工程師只需將分立元件焊在電路板上便可，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模擬測試授權費。由確定技術參數至電路布局的構思，整個設計過程都可獲得支持。工程師可以挑選合適的芯片進行電子及熱能方面的模擬測試。

　　系統設計工程師只要采用這套設計工具，便可節省設計及調試時間，換言之，這套設計工具可為公司節省更多開發成本。此外，許多公司雖然擅長設計數字系統，但對電源供應器的設計反而認識不深。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。但現在他們只要采用 WEBENCH 設計工具，便無需尋求外援，使這方面的開支也可節省下來。

　　2  新時代、新挑戰

　　2.1　　靜態電流

　　汽車工業的發展一日千里，新的挑戰不斷涌現。例如，汽車電子系統所要求的靜態電流標準也越趨嚴格。越來越多汽車制造商要求芯片供應商為他們提供靜態電流低于 100uA 的 ECU 芯片。汽車廠商是有這個實際需要的，因為靜態電流若果不夠低，汽車在連續停泊數星期之后，車內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。但啟動這個開關穩壓器仍然會耗用一定的電量，因為開關穩壓器采用金屬氧化半導體 (MOS) 技術制造，而開關啟動時會產生小量電阻。由于要輸出大量電流，因此需要裝設許多開關，令耗電量也相應大增。這個方案極少采用的原因亦在于此。

　　2.2　　負載傾卸

　　第二個要面對的問題是負載傾卸 ，解決的方法則完全不同。以往美國國家半導體的客戶都要求芯片必須設有過壓保護功能。但目前越來越多汽車電子系統，例如駕駛盤動力操控系統，早在燃點引擎時便已開始操作，因此芯片必須能夠在負載傾卸時正常運作。正因如此，美國國家半導體目前正為低壓降穩壓器系列的其中幾個型號重新加設這個過壓保護功能。大受歡迎的 LM9070、LM9071 及 LM9072 芯片便是設有這個功能的幾款低壓降穩壓器。這些產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

　　預計在未來幾年內，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，電源供應器的轉換效率便會下降，結果是得不償失。

　　2.3.1　　42 伏 - 效率方面的考量

　　我們若利用 3.3 伏 (V) 的電池為電子系統提供所需的 100mV 供電，系統的實際功耗只有 330mW。低壓降穩壓器芯片若利用 12 伏電池的供電，那么即使不將靜態電流計算在內，系統的整體功耗也不會少