宽负载汽车电子系统降压稳压器满足待机需要

引言

早期的汽车只有电子时钟是属于必须长期开启的电予零件。但多年来，汽车不断添加新的电于装置并引进新的技术，因此，必须长期开启的电子系统不断增加。目前，先进的驾驶员信息系统以及娱乐、远程信息系统已成为豪华轿车的标准配置。这些系统必须长期开启，以确保汽车闲置不用时，其中的数据不会丢失。

设计汽车电子系统的工程师必须留意汽车电子系统的功耗，尤其是负载极低但必须长期开启的电子系统，并确保这类系统的累加功耗可以减至少。

长期开启的电子系统

虽然本文主要讨论汽车电子系统，但市场上许多其他电子装置也需要配备长期开启的功能，例如利用电池供电的电子装置，其中包括便携式医疗设备(例如胰岛素输送泵)或配备后备电池的机顶盒，便属于这类必须长期开启的电子设备。

上述电子装置都有一个共通点，那就是：系统即使已转用待机模式，仍需继续执行一些基本的功能。轻载系统的效率越高，电池的寿命便越长。

由于待机时间要进一步延长，因此耗电量也随着增加，尤其是采用全功率工作模式时，系统的耗电量大增。因此，这类系统的待机模式及全功率工作模式一般都会从不同的供电干线分别获得供电。换言之，即使不同干线的供电电压完全相同，电源管理系统的设计也会各不相同。

让负载范围较广的系统发挥更高的效率

一直以来，长期开启的5V电源都采用静态电流(Iq)极低的线性低压降稳压器。为了满足低电压工作的要求，越来越多的厂商纷纷调低其产品的工作电压。长期开启的供电系统也必须顺应这个潮流。

许多供电系统已采用低至3.3V的电压，估计在不久的将来，这类低压供电系统会越趋普及，而供电电压很有可能进一步降低至2.5V或以下。但由于系统所需的整体供电量不断上升，因此，负载电流不降反升。正因如此，低压降稳压器很多时候无法满足要求。由于低压降稳压器的效率极低，因此负载电流越高，功率耗散也就越大，令低压降稳压器面临越来越大的挑战。

无论输出电流有多少，低压降稳压器的效率都不会超过27.5％(输入电压12V，输出电压3.3V，效率：3.3V／12V=27.5％)。这一公式并未将低压降稳压器的供电电流计算在内。若将此一并计算，实际的效率会更低。

目前，很多低静态电流低压降稳压器都可参照负载电流的大小来调节偏置电流。例如，若负载电流较低，偏置电流便会降至，以确保效率，但这样会减慢稳压速度。若负载相当高，稳压器便会提高偏置电流，以确保理想的负载瞬态响应。

由于系统的整体设计越趋复杂，低静态电流供电系统为不同负载提供的总电流量便持续上升，这是一个无法避免的趋势。 此外，市场上虽然有许多低静态电流、高输入电压的低压降稳压器解决方案，但大部分方案的输出电流都不超过100mA。即使这些解决方案可以提供较高的输出电流，系统功耗也随之增加，使问题变得更为复杂。

开关稳压器解决方案

要解决上述问题，可以考虑采用开关式电源解决方案，这样可以解决高输出电流的效率问题。但即使解决了旧问题，新的问题又会出现，例如轻载的设计会产生许多其他问题。大部分采用开关式电源解决方案的汽车电子系统都采用开关频率同定不变的PWM控制设计。

PWM控制方法的主要优点是电磁兼容性(EMC)的表现较容易准确预测，而且需要时可以按照设定的开关频率优化所有滤波功能。但PWM模式也有其局限，例如在轻载的情况下，效率不理想。

脉冲频率调制模式

另一种解决方案是采用脉冲频率调制(PFM)的控制方法，其特点是开关频率可以随负载电流而改变。换言之，负载电流越低，开关频率也就越低，这样可大幅减少轻载电流所产生的开关损耗。

此外，开关稳压器的功耗也会减少，因为这种稳压器的电路设计较为简单，而体积也较小。系统也可以在更宽的负载范围内发挥更高的效率，但负载若降至接近的极限，以致电流低于1mA，效率便未必这么理想。另一个缺点是由于开关频率并不固定，电磁兼容性的表现便较难预测，甚至需要投入更多资源改善设计。因此，汽车电子系统很少采用这种解决方案。

磁滞控制

利用磁滞进行控制是另一种较为可行的解决方案。像PFM模式一样，即使在轻载的工作情况下，系统也可调节开关频率，例如频率会随着负载的减少而下降。因此，负载越低，效率越高，这是它的优点。

但在高负载工作情况下，系统的开关频率则取决于不同的元件参数及工作情况。例如，输入电压、负载电流、电感值、输出电容器以及等效串联电阻对开关频率都有很大的影响。 上述参数的数值大部分都会随着温度的变化而变动。若将这些因素加在一起，开关频率及电磁兼容性的表现会变得更难预测。

脉冲模式

只具有脉冲模式的开关稳压器则采用另一种极为简单的控制方法，这个方案的占空比很固定。换言之，开关频率是恒定的，而且稳压器可在较宽的负载范围内保持较高的效率。

我们必须为开关稳压器设定工作条件，确保芯片即使在负载及输入电压的工作情况下仍可充分发挥其性能。开关节点的波形无论处于整个工作范围内的哪一位置，都很像已进行100％调制的振幅调制信号。

调制频率的高低取决于输入电压及负载电流，而且调制后的频率可能会产生低频噪声，例如会令ADC等模拟系统产生谐波及错误。

因此，即使采用固定开关频率，电磁兼容性及模拟系统的性能都较难预测，所以，该方案也不理想。

理想的结构

以上的各种开关稳压器都无法在宽的负载范围内改善系统的效率，因此其成效都不够理想。看来，理想的解决方案必须集合上述各方案的优点，才可确保系统在宽的负载范围内发挥的性能。这款理想的芯片应具备以下的优点：

·设有脉冲模式，可以在负载较低时维持较高的效率。

·停止开关工作时，偏置电流会下降，以便进一步提高轻载工作的效率。 ·设有PWM模式，确保系统可在正常负载下符合电磁兼容性的严格规定。

·开关频率可以同步及加以调节，确保设计更具灵活性。

LM26001

LM26001是一款单芯片的开关稳压器，其特点是集以上各优点于一身，适用于效率要求较高而又必须设有低功率待机模式的系统。重要的一点是，这款稳压器可以连续不断地提供1.5A的输出电流。由于低电流睡眠模式的静态电流低干40μA(典型值)，因此，即使负载极低，系统也可维持极高的效率。

这款开关稳压器采用电流模式的PWM控制方法，可以在宽的输入电压范围内提供高度准确的稳压输出。这款芯片适用于4.0V～38V之间的宽输入电压范围，甚至在线路瞬态期间仍可利用低至3V的输入电压工作。工程师只需利用一个电阻，便可调校工作开关频率(150kHz～500kHz)，甚至将开关频率调校至与外置时钟同步。

部分系统必须通过调谐功能将开关频率调校至使用中的射频频带范围之外。对于这类应用来说，上述的同步功能便显得尤其重要。此外，也有部分系统采用多个并行连接的开关稳压器。对于这类应用来说，同步功能可以缓解输入电容器所承受的压力。

除了电流模式PWM开关稳压器的各组典型电路，LM26001还包括额外添加的功能块，例如睡眠复位、睡眠设定、FPWM／睡眠控制以及开关控制等都是以上所说有助于降低静态电流的功能块。

睡眠模式

睡眠模式基本上有两个工作周期，开关时，芯片会进入脉冲工作周期，停止开关时，芯片则会进入低静态电流工作周期。换言之，这款开关稳压器可以在睡眠与正常工作这两种模式之间自动切换。若负载较低，反馈引脚(FB)电压便会上升，而补偿引脚(COMP)电压则会下降。若补偿引脚电压下降至0.6V的钳位电压阈值，而反馈引脚电压上升至超过其额定值的1％，睡眠模式便会启动，而开关工作则会停止(睡眠设定功能块)。

稳压器进入睡眠模式之后，便会处于睡眠状态，直至反馈引脚电压下降至复位阈值(睡眠复位功能块)，芯片便会恢复开关工作。FPWM／睡眠控制功能块负责监控所有信号。这个1％反馈引脚窗口可将相关的输出纹波振幅限定在额定输出电压的1％之内。

由于LM26001并非直接测量负载电流，而是间接通过补偿引脚电压进行测量，因此，决定选用睡眠还是正常工作模式所依据的阈值会随着开关频率、电感值及占空比的变动而上下波动。

即使如此，PWM模式的轻载也会低很多。由于电磁兼容性更理想(即PWM超脉冲串)，因此，输出电流可以进一步调低。为了充分利用这个优点，LM26001芯片设有强制PWM(即FPWM)输入引脚，让微控制器可以指令LM26001必须采用PWM模式工作。

设计的成败取决于成本效益，但在个别情况下(例如射频系统正在工作)，这是较为理想的选择。此外，若系统正准备全功率工作，以强制方式指令LM26001芯片必须采用PWM模式工作不失为较好的选择，因为这样可确保负载瞬态响应更为理想。若芯片被逼采用PWM模式工作，而负载则下降至极低的水平，芯片便会进入睡眠模式，以确保输出不会出现过压。

更低的偏置电流

进入睡眠模式之后，芯片会关闭所有无需工作的功能块，以减低耗电量。此外，若偏压引脚(VBIAS)连接了输出电压(3.3V或5V)，开关控制功能块便会负责提供部分电流，以满足工作需要。这个设计的好处是芯片可以在大部分时间内进行低电压工作，有助于提高效率。 结语

由于汽车的工作环境极为复杂，因此，汽车电子系统必须采用可在宽负载范围内支持高效率工作的开关稳压器。LM26001将轻载系统的供电电流降低至40μA，确立了一个新的技术指标。