能源效率与低静态电流作斗争

随着能源效率在许多行业中变得越来越重要，掌握潜在或静态电流已成为一项普遍的义务。静态电流是 DC-DC 转换器在不使用时保持启用状态所需的最小值。它是在具有最小功能的条件下使用的额定电流：即，集成电路已打开并准备好运行。 

静态电流被IC吸引并完全流向地面。吸收的总电流还取决于电感器输入电流，而后者又取决于负载（与静态电流不同）和转换效率。

低静态电流直接导致高转换效率，尤其是在轻负载情况下。

更低的效率意味着更高的功耗和更短的电池寿命。在近似情况下，静态电流只是输入功率和输出功率之差除以输入电压。与开关稳压器类似，静态电流是极化电流和栅极驱动电流。

瑞萨电子展示 了一对具有 6 µA 静态电流和集成 MOSFET 驱动器的新型 42 V 双同步控制器，为瑞萨电子 R-Car H3 和 R-Car M3 SoC 提供主要功率级解决方案。 

瑞萨电子汽车 EV 和电源业务部战略营销经理 Edward Kohler 表示：“我们从两个层面处理低静态电流操作。我们首先优化设备以最小电流运行。然后，我们查看应用级别并进一步定制设备，以实现系统级工作电流的节省。” 他补充说，除了提供低静态电流外，这些控制器还可以减轻 EMI。 

ISL78263 和 ISL78264 控制器可以在不同的宽频率范围内以恒定的开关频率运行。这些器件具有一个电阻可编程的可调振荡器，可设置为 200 kHz 至 2.2 MHz，还提供可选的同步输入，使系统能够通过时钟更精确地控制频率。广泛的可调范围为系统选择运行的频段提供了最大的灵活性，同时以恒定开关频率运行的能力迫使产生的能量保持在所选频段内。通常，在汽车环境中，希望在中波 AM 广播频段的上方或下方运行。在频带以下工作通常会提供更好的 DC/DC 转换效率，

图 1：ISL78264 的框图（来源：瑞萨电子）

静态电流

为了优化设备本身，瑞萨电子开发了一种基于允许工作电流随负载电流缩放的策略的调制器架构。“这样，ISL78263 和 ISL78264 就可以在轻负载情况下降低其静态电流。为了实现这一功能，该 IC 采用了多种设计功能，”科勒说。 

调制器架构使得一些功能块仅在高负载运行时才需要，允许它们在轻负载条件下排斥。这需要独特的设计和管理，以确保操作元素仅在适当时关闭。此外，如果系统的工作电流突然增加，它们几乎可以立即获得响应。

电路拓扑经过改进，可以在低电源电压和超低偏置电流下工作，对于那些必须持续保持活动状态的模块。

“最大限度地降低电源电压和工作电流可以最大限度地减少所需的工作功率，我们最终将其转化为系统输入电流。最后，我们添加了先进的抗噪措施，确保以超低偏置电流运行的电路不会受到干扰，”科勒说。除了优化设备的电路和架构外，瑞萨电子还检查了应用级用例，并寻找将工作电流降至最低的机会。

“首先，我们内置了电源切换功能，允许设备在存在时从次级低电压偏置电源运行内部电路。上述允许设备从使用通常较高的系统输入切换到较低的电压。在大多数情况下，应用程序将利用此功能从其输出为 IC 内部电路供电，利用开关降压效率增益，以最大限度地减少从较高系统电源汲取的电流。此外，我们还在 IC 内集成了一个低电流电压反馈网络。这允许系统消除外部电压反馈网络，该网络通常由输出和接地之间的一对电阻器组成，并且会消耗相对较高的静态电流。

电磁干扰特性

现代电子设备的日益普及给人们带来方便的同时，也加剧了电磁环境的恶化。电磁干扰 (EMI) 是由电磁波与电子元件相互作用引起的一组噪声现象。由于电子设备在工作时会产生电磁波，各种电子设备会相互干扰，对敏感电路造成意想不到的影响，严重时会妨碍电流的正常工作。降低 EMI 对每个设备都至关重要。 

“要解决 EMI 问题，必须仔细规划和构思设备的许多方面。这些设备的几个特性和规格必须协同工作；删除或省略其中任何一个，EMI 性能都会受到很大影响，”科勒说。

电源转换系统中 EMI 需要考虑的一些设计方面如下：

优化器件引出线以最小化高电流回路的横截面积，从而最小化稳压器产生的电磁能。

控制操作特性，使所产生的功率的频率成分处于非常严格控制的频带内。

确保设备在宽频带上运行，以便在需要避开某些频带时提供应用级灵活性。

专为宽工作频率而设计 

旨在支持整个功能频段的宽占空比，避免脉冲跳跃的需要

采用高峰值电流 MOSFET 驱动器设计，可实现快速开关

增加设备与外部时钟同步的能力，以提供系统对频率的精确控制

添加可编程扩频功能，可以启用该功能以最小化在任何给定频率中产生的能量幅度。

解决 EMI 的一个方面是减少稳压器功率级发射的能量。必须仔细优化器件的引脚输出，以便压缩高电流信号路径的横截面积以实现它。

“这要求优化源路径和返回路径，并允许旁路电容器的紧密放置。通常，这些要求与其他约束冲突，因此构成了设计权衡。

例如，尽管它通常会最小化电流回路的尺寸，但通常不希望电源和接地引脚紧邻。这是因为我们还必须考虑故障模式，例如相邻引脚之间的短路。将电源短接到地可能会给系统带来灾难性的后果，因此我们通常避免将这些引脚彼此相邻放置。因此，仍然必须结合设计的许多方面来考虑优化管脚以降低 EMI，”Kohler 说。

他补充说：“除了最大限度地减少开关稳压器产生的能量之外，我们还采取了多种措施来控制剩余能量的频率成分。根据应用的不同，某些频段的限制比其他频段要严格得多。因此，重要的是设计稳压器以严格控制其频率内容，并为系统设计人员提供调整应用级参数的能力，以便能量避开该应用的关键频段。”

DC-DC 稳压器

ISL78264 双同步降压控制器管理第一级 DC/DC 的中间转换，将电池系统降低至 12V 至 5V 和 3.3V，以为车辆电子检查单元 (ECU)、车辆信息娱乐系统 (IVI) 和数字驾驶舱系统供电功率等级为 50W-200W。ISL78263 双同步升压和降压控制器提供 DC/DC 转换以支持 25W-100W 的功率水平，同时如果电池电压 (VBAT) 在肘部转换或启动/停止事件期间降至 2.1V，则提供预升压。集成 EMI 抑制，开关频率高达 2.2 MHz，还降低了 EMI 滤波/屏蔽的成本和尺寸。

ISL78263 和 ISL78264 允许用户在频段以上或以下进行操作。当在拉伸以上运行时，即在更高的频率下，时钟周期变得非常短。降压 DC/DC 转换器的功能是在输入电源（考虑导通时间）和接地（考虑关断时间）之间切换。

输出电压通过占空比或开启和关闭时间之间的比率来稳定。

为了提供宽范围的输入输出电压比（这是必需的，因为汽车 12V 电源在操作中变化很大），ISL72863 和 ISL78264 必须支持非常包容的占空比范围。但是，在高工作频率下可用的更短时钟周期需要非常短的开启和关闭时间才能实现广泛的占空比操作。 

“ISL78263 和 ISL78264 可以控制非常短的开启和关闭时间，典型最小值分别为 25 和 40ns。此外，它们提供高峰值电流驱动器，能够在如此短的时间内打开和关闭大型外部 MOSFET。如果没有所有这些功能的组合（频率的广泛可调性、恒定频率操作、最小的最小开启和关闭时间以及高电流驱动器），就不可能为系统提供所描述的灵活性，”科勒说。

图 2：使用 ISL78264 的应用示意图。通道 1 固定为 5V （来源：瑞萨电子）

汽车系统的 12V 稳压器需要提供大多数 DC/DC 转换器以及一些汽车系统相对独特的保护。“常见的保护，例如输入欠压锁定、输出欠压和过压保护、输出过流保护和器件过热保护在汽车系统中是必不可少的，但这些保护存在于大多数现代稳压器中，”科勒说

汽车系统通常还需要考虑引脚分配，以便相邻引脚之间的无意短路不会对器件造成任何损坏。为了提高安全性和可靠性，汽车系统还要求高端 MOSFET 栅极驱动器具有自举欠压检测电路。该功能检测自举电平转换器两端的电压，并在偏置过低时强制刷新自举电容器。这样可以防止 MOSFET 驱动不足，否则可能会导致器件过热和损坏。此外，12V 总线系统可能会经历称为“抛负载”的强大电压变化，如果电池断开，交流发电机可能会暂时导致现代车辆中的系统浪涌至 42V。 

审核编辑 黄昊宇