在汽车电子系统中如何选择多通道同步降压转换器？

按照 Strategy Analytics 公司的研究结果：“未来 7 年，对可行半导体器件的需求预计将以 5% 的平均年复合增长率 (CAGR) 增长，到 2021 年总体市场规模将超过 410 亿美元，而 2014 年市场规模为 300 亿美元。”该公司还预测，对微控制器和电源半导体的需求将产生超过 40% 的收入。

Strategy Analytics 针对汽车中电子系统的增长预测提供了量化描述，但是更令人感兴趣的是，电源 IC 在这种增长中发挥了无处不在的作用。这些新型电源 IC 必须：

用单一电源管理 IC 提供多个电压轨

跨多种电压范围提供可靠的性能，包括从4V 的冷车发动和停-启情况到超过 36V 的抛载瞬态

提供从 5V 直至低于 1V 的输出范围

具备超低电磁干扰 (EMI) 辐射

提供尽可能的最高效率以最大限度减轻过热问题，并优化电池运行时间

超低静态电流 (每个通道小于 10µA) 可使安全、环境控制和信息娱乐系统等始终保持导通的系统在汽车引擎 (交流发电机) 不运行的情况下保持工作状态，并不会耗尽汽车电池的电量

提供占板面积最小的解决方案，且常常需要提供多个电压轨，以最大限度减少电源转换电路所需空间

提供 2MHz 或更高的开关频率，以保持开关噪声在 AM无线电频段以外，并保持很小的解决方案占板面积

汽车中的电子系统日益增多、越来越复杂，提高电源 IC 性能的目的是允许设计适应这种状况的电子系统。促进汽车中电子系统增长的具体应用在汽车中到处都是。例如，新型行车安全系统包括车道监视、自适应行车安全控制、自动转向和前灯调光等。信息娱乐系统 (车载多媒体系统) 不断演变，在一个已经很拥挤的空间中不断塞入更多功能，但是现在还必须支持日益增加的云应用。采用了停/启系统的先进发动机管理系统以电子方式控制变速器和发动机。动力传动和底盘管理系统旨在同时提高性能、行车安全和舒适性。几年前，还仅能在“高端”豪华型汽车中见到这些系统，但是现在这些系统在每一家制造商的汽车中都属于常见配置了，这进一步加速了汽车电源 IC 市场的增长。

更小的电源转换电路

有几种方法可使电源转换电路更小。一般而言，电路中最大的组件不是电源 IC，而是外部电感器和电容器。通过将电源 IC 的开关频率从 400kHz 提高到 2MHz，这类外部组件的尺寸可以极大减小。不过，要有效实现这一目标，电源 IC 必须能够在这类较高的频率上具备高效率，这在以前是不可行的。然而，通过采用最新工艺和设计方法，已经开发出同步电源 IC，这类 IC 以 2MHz 切换时效率超过 90%。高效率工作最大限度降低了功耗，从而无需散热器。高效率工作还有一个附加的好处，即保持开关噪声位于 AM 频段以外，这对很多噪声敏感型电子系统而言是至关重要的。

另一种显著减小电源转换电路的方法是，当需要几个单独的输出电压轨时，用多输出转换器代替多个单独的器件。例如，当给一个微处理器供电时，大多数设计都需要 3 个独立的输出，以给微处理器所需的 VCORE、VI/O 和 VMEM 供电，还需要第四个 5V 轨给 CAN 收发器供电，该收发器使微处理器能够与系统中其余电子组件通信。恰当设计的 4 输出转换器 IC 比相应的单输出转换器大得不是很多，而其解决方案占板面积却可能比 4 个单独的单输出转换器小一半以上，当比较采用 2MHz 开关频率的 4 输出稳压器和以 500kHz 运行的 4 个单输出稳压器时，尺寸的减小尤其有吸引力。此外，4 输出转换器用来最大限度减小不希望出现的通道间串扰，而 4 个相邻单输出转换器之间的串扰可能很成问题，除非这些转换器全部同步到一个公共时钟。增加外部时钟和同步会同时增大尺寸、复杂性以及电路成本。

工作时具很低的 EMI

因为汽车电气环境有固有噪声，很多应用易于受到电磁干扰 (EMI) 影响，所以极需关注的是，开关稳压器不能加重这类 EMI 问题。因为开关稳压器一般是输入电源总线上第一个有源器件，所以不论下游转换器好坏，开关稳压器都会显著影响转换器的总体 EMI 性能。因此，最大限度降低 EMI 迫在眉睫。过去所采取的解决是采用 EMI 屏蔽罩，但是这种方法显著增大了成本和解决方案占板面积，同时使热量管理、测试和制造更加复杂。另一种潜在的电源管理 IC 解决方案是降低内部 MOSFET 开关边沿的变化速度。然而，这种方法产生了不想要的影响，即降低了效率，延长了最短接通时间，损害了 IC 以等于或高于 2MHz 开关频率提供低占空比的能力。由于人们希望同时实现高效率和较小的解决方案占板面积，所以这不是一种可行的解决方案。幸运的是，一些不久前推出的电源 IC 设计同时实现了快速开关频率、高效率工作和较短的最短接通时间。这些设计可以提供低 EMI 辐射，甚至具 2MHz 开关频率和效率超过 90%。这些 IC 设计也无需使用额外的组件或屏蔽，就可实现如此高的性能水平，因此成为开关稳压器设计领域的重大突破。

一种新的 IC 选择