汽车应用的线性稳压器与开关器

新型线性稳压器

线性稳压器有什么新功能？让我们从输出电容器开始。采用熟悉的 0402 封装的陶瓷电容器是当今的电容器。这主要是因为改进的材料将其温度范围从 125°C (257°F) 提高到 150°C (302°F)，并且改进的安装方法减少了热冲击并提高了抗振性。这些电容器的小尺寸减少了其电感分量，从而获得更好的高频性能。但陶瓷电容器值得关注的关键特性是其低等效串联电阻 (ESR)。

基本的闭环线性调节器系统由误差放大器、输出驱动器和负载组成。图 1 至图 3 详细介绍了双极性线性稳压器的闭环频率响应，突出显示了在保持系统设置和输出电容值相同的情况下改变输出电容器 ESR 的效果。具有 1 欧姆 ESR（图 1）的电容器是稳定的，而具有非常低的 0.01 欧姆 ESR（图 2）的电容器是不稳定的；3 欧姆的较大 ESR（图 3）也不稳定。

开关电源的一条经验法则——每当闭环增益大于或等于 1 时，闭环相位永远不会达到 360 度的 30 度以内——在这里也非常适用。

大多数线性稳压器不提供任何可访问的点来测量稳定性曲线。相反，芯片制造商提供了一些图表，显示预期的稳定性区域与输出电容器的 ESR 值的关系。图 4 显示了输出电容器 ESR 不稳定区域和稳定区域的典型差异，具体取决于输出稳压器电压随输出电流变化的情况。图 5 显示了基于输出电容值的不稳定区域和稳定区域的差异。

负载响应时间通常与 IC 稳定性产品区域成反比变化。环路响应时间已减慢，以提供更好的稳定性。外部输出电容器将补偿大多数瞬态要求。请务必提供足够大的电容器来满足您的要求。使用典型的电容器方程：

根据系统负载大小、瞬态时间和系统允许的输出电压降来计算电容器值。

无论是在稳压器加载时还是在待机状态下，静态电流都已成为一个重要的指标。从历史上看，静态电流并不是一个问题。随着汽车中电子含量的增加，目前使用的电池和交流发电机已经达到了极限。半导体制造工艺会对静态电流量产生影响，我们可以在两种不同制造类型制造的产品的典型性能特征中看到这种影响。图 6 显示了采用双极工艺制造的器件，而图 7 显示了采用 BCD 工艺制造的器件。请注意采用 BCD 工艺制造的器件的扁平线特性。

双极工艺导致器件在较高负载下需要增加静态电流。当在较高负载下运行时，采用 BCD 工艺制造的器件将在低负载下保持低静态电流。结果是对模块静态电流限制的贡献较低。

节流器

您可以在节流操作中使用看门狗调节器。看门狗调节器通过向微处理器发送唤醒信号来节省电流。当微处理器指令启动时，微处理器将并发信号发送回电压调节器，通知调节器必须保持调节。一旦微处理器完成其命令和指示，返回调节器的反馈信号就会被移除。看门狗调节器识别该事件并向微处理器发送回复位信号，将其关闭，如图 8 所示。终结果是电流消耗减少，直到再次需要微处理器的工作为止。

IC 稳压器领域的另一种新的省流方案是暂时关闭不需要的电路。调节器中不立即需要的任何部分都可以断电并以脉冲开/关模式运行。

该方案适合寒冷或室温下的轻负载条件。较高温度下漏电流的增加（通过环境温度升高或片上电源引起的芯片温度升高而达到）使器件的正常运行变得复杂。

人们对双稳压器（一个芯片上有两个独立的输出稳压器）的兴趣与日俱增。现在一些微处理器需要双电源电压。个电源（通常是较低电压）为内核供电，第二个电源为 I/O 供电。降低电压可以将更多晶体管挤在芯片上，而不会熔化器件或超出其封装的热限制。

虽然双线性稳压器的用途并不是作为静态电流节省工具（更多的是为了方便、节省空间和成本），但它们有助于系统中的节能和功率分配。电流节省是双稳压器内通用电路（例如带隙参考电压和电流源偏置串）的结果。

在单个 IC 上集成多个稳压器有利于方便、节省空间和成本，但受到 IC 中允许功率的限制。

封装是另一个经过改进的领域，可以在单个封装中消耗更多功率。通过使用金属引线框架材料（裸露焊盘），热阻得到了改善。与塑料连接相比，金属连接可以更有效地散热。图 9 显示了典型的裸露焊盘 (epad) 封装。该器件采用 300 mil、16 引线 SOW epad 封装，epad 尺寸为 150 mil x 184 mil。

超过制造商的温度限制（结点处通常约为 150°C/302°F）可能会立即损坏稳压器，或者由于硅、焊线和塑料封装的不同热膨胀系数引起的应力而导致早期故障。随着温度升高，故障率呈指数级上升。目前正在研究提高这些电气元件可接受的工作温度。

开关稳压器

当我所描述的所有新的线性稳压器选项都被使用时，开关稳压器的使用将会增加。由于外部元件数量较多，开关器比线性稳压器更昂贵。他们还承担故障排除的隐性成本。就其本质而言，切换器具有需要电磁干扰方面的技能和教育才能克服的特性。

毫无疑问，开关稳压器比 LDO 更高效。开关稳压器的效率可以达到 90%，而 LDO 的效率为 36%，如表 1 所示。图 10 显示了降压开关稳压器的典型效率曲线。

线性稳压器的功率损耗就是负载电流（忽略任何静态电流）乘以输入和输出之间的电压差。图 11 中的示例显示了稳压器上的 9V 压降，因此效率达到 35.7%，与负载无关，但取决于输入电压，如下例所示。

提高线性稳压器效率的方法是降低其两端的电压。您可以通过在线性稳压器旁边使用开关稳压器（如图 12 所示）来实现此目的，为线性稳压器创建 6V 直流输入（与上一示例中的 14V 直流输入相比）。开关器件可以有效地降压至更易于管理的电压，并将该电压分配给其他线性稳压器运行。这种布置提高了切换器的效率，同时节省了线性调节器的成本。消除线性稳压器与电池的连接可以进一步降低成本，因为可以使用较低电压的部件。

如图 13 所示，提高的效率使整体系统效率达到 74.7%，而图 11 中的效率为 35.7%。

减少电流消耗的另一种方法是将开关稳压器的功能与线性稳压器相结合。开关稳压器在驱动其设计负载时效率。然而，当输出电压负载不重时，保持开关稳压器开关所需的电流变得更多是一种负担，而不是一种属性。在这些条件下，线性稳压器可以更加高效。

图 14 显示了能够在线性稳压器和开关稳压器的工作模式之间切换的器件。该模块分为两个独立运行的部分：部分（绿色）支持系统用作降压开关稳压器。第二部分（黄色）支持系统用作线性调节器。与温度无关的参考电压在两个部分之间共享。工程师可以根据输出负载选择更改模式，以获得效率或 EMI 要求。在非常轻的负载下，线性稳压器的效率会更高。负载较重时，开关稳压器的效率会更高。线性稳压器的EMI性能始终优于开关稳压器。

开关稳压器的其他应用涉及启动汽车。对于现代汽车安全系统，必须验证密钥是否属于其尝试启动的车辆。发动机启动时的重负载会导致电池电压严重下降，这不得导致验证中涉及的微处理器断电或重置。

为了实现这一点，您需要一个可以为系统提供升压以及降压或降压电压的设备。实现此目的的一种方法是使用 SEPIC（单端初级电感转换器），如图 15 所示。电容器 C1 必须能够承受该系统的正常高压操作限制（就反激脉冲而言）以及通过电感器 L1 看到的高压负载突降脉冲（以及其他瞬态）。这意味着需要一个高压电容器，并且为了保持效率，电容器的 ESR 值较低，因为有高电流流过该组件。一些工程师对流过电容器的高电流感到不舒服。可能会发生过热，导致可靠性问题或电容器劣化（短路或开路）。

该问题的另一个解决方案是使用带有双模转换器的直通区技术。这样可以在降压和升压操作模式之间实现平滑过渡，同时创建所需的降压/升压操作。如图 16 所示。

在正常运行中，晶体管 Q1 作为降压开关稳压器运行，同时控制电路保持 Q2 截止。当 Vbat 的输入电压下降时，Q1 100% 导通，同时 Q2 将电路用作升压开关稳压器。电阻器 Rpassthrough 有助于设置操作，通过该操作有一个直通区域，通过该区域可以稍微改变调节的输出电压，以在切换操作模式时提供平滑过渡。

目前的汽车系统中可用的电力是有限的。从工程角度来看，开关稳压器比线性稳压器具有效率。开关稳压器将实现集成的功能，但也会增加系统的成本。汽车消费者会为多的功能（开关）付费还是满足于较少的功能（线性稳压器）？