具备高效休眠模式的车用开关DC-DC稳压器

摘要

即使是在车辆停泊或者暂停开动时，许多车用配备必须持续保持在待命执行状态。像是保存记忆内容的内存、持续运转的时钟，以及不断运行的车用传感器等系统。这些装置在“休眠”状态下只需要很少的耗电。而汽车制造商在设计时必须做出最大耗电预估，，5V状态下的150μA电流必须包括实际负载以及12V车载电池电压转换损耗。这将确保在汽车长时间停泊情形下，电池电量不会被耗尽。

为了减少特定应用的组件数量和降低成本，可采用一个在低输出负荷模式（休眠模式）下具有高效率，又同时能为系统正常操作供电的电源。

本文将提出车用系统使用的应用解决方案，列举达到高效休眠模式的不同方法，并说明怎样有效测量效率，以及效率测量对静态电流和对整个耗电预算的重要性。本文列举了启动接脚的问题实例：根据实现方式的不同，在开启或关闭状态，将会有一些电流消耗。

什么是高效休眠模式？

DC-DC电源的高效休眠模式可在非常低的输出电流（只有几毫安或更小）和输出电压时，保持非常高的转换效率。在一般情况下，可以透过进入Burst模式并且关闭在休眠模式下不需要的内部电路，就可在开关模式电源中实现。
实现车用高效休眠模式的目的

汽车无线电系统、导航系统、警报系统以及车用免持配备等车载子系统都需要以非常低的电流保持待机状态。汽车制造商为汽车无线电等子系统预留电力，以便在汽车停止时，这些系统可从汽车电池中汲用电力。典型的例子是当汽车在机场停泊几周后，车主结束旅行返回时，汽车仍然能够正常启动。

典型的备用电流预算低于150μA。该预算包括输出耗电以及电源损耗。输出耗电可以用于保持系统时钟的运转、检查传感器状态或保持内存内容在可用状态。

这代表了即使是在汽车停放并且系统的基本功能都关闭的时候，降压转换器仍然必须工作。 

传统解决方案

在整合“高效休眠模式”解决方案问世之前，许多系统必须依赖双重电源管理方法。图1说明的即为双重系统。当系统正常工作并且输出电流较高时，有一个DC-DC转换器为系统供电。如果就车载无线电系统而言，这相当于无线电系统进入工作状态。这需要有效的耗电转换，但是开关模式耗电IC的电流精确值并不重要。平行使用的第二个电源是线性稳压器，它在低输出负荷时有效工作。这是因为线性稳压器不需要具备开关模式稳压器那么多的功能，例如供应振荡器电源，以及在每次开关周期时为开关晶体管的闸极充电。而且，线性稳压器的尺寸可以非常小，因为只有当输出负荷非常低时它才会启用。

传统解决方案面对的问题是必须具有两套完整的电源管理解决方案。此外，还面临控制回路与控制回路相互影响的风险。第三个困难可能是两个电源之间的逻辑启用和禁用顺序(disabling sequence)。切换必须采用分离组件手动进行，这使得整个电路非常昂贵和复杂。而且，即使一开始看起来非常简单的功能，其设计和评估时间也可能非常复杂。

新式高效休眠模式装置--LM26001的低Iq电流操作

美国国家半导体的LM26001是一款1.5A单片开关模式降压稳压器，专为高效休眠模式而设计。图2显示典型效率图有在效率高达80%时，负荷电流仅2mA。这么高的效率是透过在休眠模式中关闭许多IC支持功能而实现。

随着负荷的降低，回馈(COMP)接脚（FB）上的电压略微增加，误差放大器输出电压降低。当补偿电压达到0.6V的内部箝位阈值(clamp threshold)，FB电压超过额定值1%时，休眠模式启动，开关运作停止。稳压器保持休眠模式，直至FB电压降至重设阈值为止，这时开关恢复运作。这个1%的FB窗口将相应的输出波纹限制在额定输出电压的1%左右。休眠周期将会重复进行，直至负载电流上升为止。在休眠模式下，当不进行开关操作时，静态电流降到低于40μA。图3显示一个典型的休眠模式波形（25mA负荷，12V Vin）。

FPWM模式指的是强制脉宽调变模式，可透过升高LM26001的FPWM接脚的电压进入该模式。当该模式启动时，它强制稳压器以设定的频率进行开关操作，甚至是在低负荷条件下。这样虽然会降低效率，但有助于改善针对关键应用的EMI行为。

启动接脚问题

全功能开关电源管理芯片通常带有启动接脚。这些接脚用来落实依序启动以及用于彻底关闭子系统。在启用功能实施时，需要一定的能量来进行状态切换。这种能量通常可降至非常低的水平。但是，由于系统噪声和漏电流的影响，通常有一个最小的实际阈值。如果上拉电流太低，噪声就有可能错误的开关IC。
与开关稳压器IC内部或外部（电阻）消耗能量无关的系统消耗最少的能量。

如果在“高效休眠模式”应用中需要启用功能，处理该功能功耗的最佳方式是使电路在对功耗要求不高的逻辑状态中消耗这部分电力。在大多数“处于可用状态”的休眠模式应用中，几乎从不使用真正的关闭状态。其功能大部分用于初始启动程序或故障防护。在这种真正关闭的状态下，当电路完全关闭时，不需要注意消耗了多少电流。以上就是为什么本文建议在开启状态下不会消耗电流，在真正关闭状态下只消耗几微安电流的启用接脚的原因。美国国家半导体的LM26001正是采用这种设计方式。比较不同的“高效休眠模式”IC的电流消耗相当重要的是了解启用功能电流是否算入总休眠模式电流内，以及休眠模式下是否没有消耗电流但关闭模式下有电流消耗。
 
效率测量

一旦设定高效休眠模式系统，在低输出负荷情况下测量实际效率以证明达到设计目标是非常重要的。当负荷等级低至30μA时，精确测量效率就显得很有必要。

另一个使得测量很难进行的因素是，像LM26001这样的解决方案是在Burst模式下作用，透过几次交换周期为输出电容充电，直至输出电容的电荷溢流为止。这不仅使得测量精确度令人担忧，而且还需要在很长时段进行耗电整合。

有些测量设备可以在长时间段内达到合理的平均水平，而有些设备则不行。而且，在极低输出电流的情况下，温度对整体效率有非常大的影响。除了开关模式电源IC以外，飞轮二极管以及输入和输出电容也会泄漏部分电流。这在正常运作情况下不会有太大的影响，但是，对于负荷低至30uA时的效率而言，这些因素的影响将会很大，因此必须考虑。 

结论

随着愈来愈多的电子组件被加入汽车中，“低Iq电流”和“高效休眠模式”电源管理稳压器将在未来变得十分重要。随着先进解决方案的技术成功开发，未来的产品效率将会持续不断的提升。