整個負載范圍內(nèi)的高效率

汽車應(yīng)用中的電子器件數(shù)量只增不減，大多數(shù)器件的每次設(shè)計迭代都需要更多的電源電流。有源負載電流如此高，重載效率和適當?shù)臒峁芾砭统蔀槭滓紤]因素，可靠的運行取決于散熱管理，不受控制產(chǎn)生熱量可能會導(dǎo)致代價高昂的設(shè)計問題。

系統(tǒng)設(shè)計人員也關(guān)注輕載效率，由于電池使用壽命主要取決于輕載或空載時的靜態(tài)電流，因此輕載效率和重載效率一樣重要。必須在硅芯片和系統(tǒng)級設(shè)計中權(quán)衡滿載效率、空載靜態(tài)電流和輕載效率。

為了在滿載時達到高效率，應(yīng)最小化FET（特別是底部FET）的R_DS(ON)，這看起來很簡單。但是，具有低R_DS(ON)的晶體管的電容通常相對較高，開關(guān)和柵極驅(qū)動損耗隨之增加，也會增加裸片尺寸和成本。相反，LT8636單片式穩(wěn)壓器具有很低的MOSFET傳導(dǎo)電阻，在滿載條件下的效率很高。LT8636在靜止空氣中的最大輸出電流為5 A連續(xù)電流和7 A峰值電流，沒有任何額外的散熱器，從而簡化了可靠的設(shè)計。

為了提高輕載效率，在低紋波Burst Mode^?（突發(fā)工作模式）下工作的穩(wěn)壓器將輸入電容充電至所需的輸出電壓，同時最小化輸入靜態(tài)電流和輸出電壓紋波。在突發(fā)工作模式下，電流以短脈沖的形式傳遞到輸出電容，然后進入相對較長的休眠期，在此期間，大多數(shù)控制（邏輯）電路關(guān)閉。

為了提高輕載效率，可選用更大值的電感，因為在短脈沖期間可向輸出傳遞更多能量，降壓穩(wěn)壓器也可在每個脈沖之間的休眠模式下保持更長時間。通過盡可能延長脈沖之間的時間，盡量減少每個短脈沖的開關(guān)損耗，單片式降壓轉(zhuǎn)換器靜態(tài)電流可在單片式穩(wěn)壓器（如LT8636）中達到2.5 μA。而市場上的典型部件為幾十甚至幾百μA。

圖5顯示使用LT8636的汽車應(yīng)用由12 V輸入提供3.8 V/5 A輸出的高效率解決方案。電路在400 kHz下運行可達到高效率，并使用XAL7050-103 10 μH電感。在低至4 mA和高至5 A的負載下，可保持90%以上的效率。峰值效率在1 A時為96%。

圖6顯示該解決方案1 μA至5 A時的效率。內(nèi)部穩(wěn)壓器由5 V輸出通過BIAS引腳供電，以盡可能降低功耗。峰值效率達到95%；由13.5 V輸入提供5 V輸出的滿載效率為92%。對于5 V應(yīng)用低至30 mA的負載，輕載效率保持在89%或以上。轉(zhuǎn)換器在2 MHz下運行，測試用電感為XEL6060-222，以優(yōu)化相對緊湊型解決方案中的重載和輕載效率。使用更大的電感，可將輕載效率進一步提高到90%以上。  反饋電阻分壓器中的電流以負載電流形式出現(xiàn)在輸出端時降至最低。

圖7顯示該解決方案在4 A恒定負載和4 A脈沖負載（共8 A脈沖負載）以及10%占空比(2.5 ms)下的熱性能 — 靜止空氣環(huán)境室溫下，13.5 V輸入。即使在40 W脈沖功率和2 MHz開關(guān)頻率下，LT8636外殼溫度都保持低于40°C，使得電路在沒有風扇或散熱器的情況下也能短時間內(nèi)以高達8 A電流安全運行。由于采用增強散熱型封裝技術(shù)，并且LT8636在高頻率下具有高效率，因此采用3 mm × 4 mm LQFN封裝可實現(xiàn)這一目標。

圖5.采用XAL7050-103電感的12 V至3.8 V/5 A解決方案的效率(f_SW = 400 kHz)。

通過高頻操作縮小解決方案尺寸

汽車應(yīng)用中的空間越來越寶貴，因此必須縮小電源尺寸以便置入電路板中。提高電源開關(guān)頻率可使用電容和電感等較小的外部組件。此外，如前所述，在汽車應(yīng)用中，高于2 MHz（或低于400 kHz）的開關(guān)頻率可將基頻保持在AM無線電頻段之外。我們來比較一下常用的400 kHz設(shè)計和2 MHz設(shè)計。在這種情況下，增加五倍開關(guān)頻率達到2 MHz會將所需電感和輸出電容減少到400 kHz設(shè)計的五分之一。似乎很容易。然而，由于使用高頻解決方案本身就需要進行一些權(quán)衡考量，因此即使支持高頻的IC也可能無法在許多應(yīng)用中使用。

例如，在高降壓比應(yīng)用中的高頻操作需要較低的最小導(dǎo)通時間。根據(jù)方程V_OUT=T_ON×f_SW×V_IN，在2 MHz操作頻率下，需要約50 ns的最小開關(guān)導(dǎo)通時間(T_ON)才能通過24 V輸入電壓產(chǎn)生3.3 V輸出電壓。如果電源IC無法實現(xiàn)此低導(dǎo)通時間，則必須跳過脈沖以保持低穩(wěn)壓輸出 — 實質(zhì)上無法達到高開關(guān)頻率的目的。換言之，等效開關(guān)頻率（由于脈沖跳躍）可能在AM頻段。由于最小開關(guān)導(dǎo)通時間為30 ns，LT8636允許在2 MHz下直接從高V_IN轉(zhuǎn)換為低V_OUT。與之相比，許多器件限制為最小>75 ns，這就需要它們在低頻率(400 kHz)下操作，從而實現(xiàn)更高的降壓比以避免跳躍脈沖。

高開關(guān)頻率的另一個常見問題是開關(guān)損耗趨于增加。與開關(guān)相關(guān)的損耗包括開關(guān)導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗和柵極驅(qū)動損耗 — 都與開關(guān)頻率近似線性相關(guān)?？s短開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷時間可改善這些損耗特性。LT8636開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷時間很短，不到5 V/ns，可實現(xiàn)最小死區(qū)時間和最小二極管時間，從而降低了高頻下的開關(guān)損耗。

本解決方案中使用的LT8636采用3 mm × 4 mm QFN封裝以及具有集成電源開關(guān)的單片式結(jié)構(gòu)，同時提供所有必需的電路功能，共同構(gòu)成PCB占用空間最小的解決方案。IC下方的大面積裸露接地焊盤通過極低的熱阻(26°C/W)路徑將熱量引導(dǎo)到PCB，從而減少了額外的熱管理需求。此封裝采用FMEA兼容設(shè)計。Silent Switcher技術(shù)減少了熱回路的PCB面積，因此使用簡單的濾波器即可輕松解決這種高開關(guān)頻率下的輻射EMI問題，如圖3所示。

圖6.使用XEL6060-222電感和LT8636的13.5 V至5 V和3.3 V解決方案的效率(f_SW = 2 MHz)。

結(jié)論

只要精心選擇IC，無需反復(fù)權(quán)衡考量，就可以生產(chǎn)出適合汽車應(yīng)用的緊湊型高性能電源。就是說，可以同時實現(xiàn)高效率、高開關(guān)頻率和低EMI。為了舉證說明可實現(xiàn)的緊湊型設(shè)計，本文中的解決方案選擇使用LT8636，這是一款采用3 mm × 4 mm LQFN封裝的42 V、5 A連續(xù)/7 A峰值單片式降壓Silent Switcher穩(wěn)壓器。在此IC中，VIN引腳分離并對稱放置在IC上，從而分離了高頻熱回路，使磁場相互抵消，以抑制電磁輻射EMI。此外，同步設(shè)計和快速開關(guān)邊沿可提高重載效率，而低紋波突發(fā)工作模式對輕載效率有利。

LT8636的3.4 V到42 V輸入范圍和低壓差也適用于汽車應(yīng)用，使其能夠在汽車啟動或負載突降情況下工作。在汽車應(yīng)用中，系統(tǒng)設(shè)計人員在嘗試縮小電源解決方案尺寸時往往會面對很多權(quán)衡考量，但采用本文中的設(shè)計，設(shè)計人員無需權(quán)衡即可實現(xiàn)所有性能目標。

圖7.3 mm × 4 mm LT8636在13.5 V至5 V/4 A恒定負載加4 A脈沖負載（10%占空比）下的熱圖顯示溫度上升。

作者簡介

Zhongming Ye是ADI公司的一名電源產(chǎn)品應(yīng)用工程師，工作地點位于美國加利福尼亞州圣克拉拉。他自2009年以來一直在凌力爾特（現(xiàn)為ADI公司的一部分）工作，負責提供各種不同產(chǎn)品的應(yīng)用支持，包括降壓、升壓、反激式和正激式轉(zhuǎn)換器。他在電源管理領(lǐng)域的關(guān)注點包括面向汽車、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用的高效率、高功率密度和低EMI的高性能電源轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器。在加入凌力爾特之前，他在Intersil工作了三年，從事隔離式電源產(chǎn)品的PWM控制器相關(guān)工作。他擁有加拿大金斯頓女王大學(xué)電氣工程博士學(xué)位。Zhongming是IEEE電力電子學(xué)會的高級會員。