汽車電源管理技術 – 深入探討極低待機電流
- Frederik Dostal
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隨著人們對於汽車舒適度、安全性和高效率要求的提升，車用電子元件的種類愈來愈多，這些車用電子元件的電源管理也變得更重要。以往採用線性穩壓器作為汽車電子系統電壓供應源的日子差不多已經走入歷史。相較之下，開關式供電系統可以提供更好的效率，但在許多方面都比以往線性穩壓器供電系統複雜，尤其在汽車應用方面。
對於車用電子供電系統設計師而言，如何將這些新增電子系統於待機期間的耗電量降低就是一個比較重大的設計挑戰。設計人員該如何去設計一個優異的電子供電系統，讓汽車可以停放數日無需發動，而在發動時不會耗盡電池的殘餘電力，也不會發生無法發動的窘境。
汽車成了隨時都在耗損的電力的終端裝置
理論上，最理想的情況是當汽車熄火後，所有的功耗隨即完全停止，如此一來，電池中的電能就可以滿足汽車再次發動所需要的電力。在這樣的條件下，唯一導致電量耗損的就只有鉛酸蓄電池的自我放電效應，但其影響程度相對而言比較少，每個月大約只有5到20%。
由於待機的要求，愈來愈多汽車中的耗電元件是不能被關閉，這些重要的元件不僅僅限於經常耗用車身電力的無鑰匙門鎖系統及防盜系統，還包括像是衛星導航系統、攝影系統及儀表板系統等應用。在這些應用系統中，即使在熄火的狀態下，還是需要小量的穩定電流去維持記憶體中的數值並且維持某些邏輯狀態持續運行。隨著這類型的系統愈來愈多，即使在熄火的狀態下，汽車電池內的電量耗用也都會大幅增加。
在熄火的狀態下，汽車製造商針對不同的車用電子系統制訂出不同的電流耗量分級。對於大多數的系統來說，可容忍的最大電流耗量僅為100A，這個數值是一個平均值，是汽車在過去一段長時間(例如是24小時)的平均電流消耗量。這表示某些時間內電流耗量會比較大，而某些時間內則較少。為了提供記憶體、時鐘或感測器有足夠的電流可用，汽車製造商必須盡可能以最佳的效率將12V汽車供電電壓轉換成這些元件所需的電壓，比如是5V、3V或更低的電壓。
如何克服設計挑戰 大幅降低功耗
要克服這個設計上的挑戰，可以採用內建休眠模式的開關穩壓器作為解決方案，這是一個針對極低輸出功率的特別操作模式。在這個模式下，開關式電源供應器的大部份功能會被關閉，並且能在重新啟動的時候以最高效率的方法恢復調節輸出電壓。
美國國家半導體的LM26003降壓穩壓器便是這種解決方案的一個實例，由於它整合了功率FET，因此非常簡單易用。對於低於幾毫安培以下的負載來說，PWM穩壓器會切換成脈衝模式。在這個模式下，假如輸出電壓太低，穩壓迴路就會自動檢測並通知內建的N-FET啟動開關幾次直到電路的輸出電容器重新充滿電為止，之後開關動作停止，這時的功耗會變得很低，直到負載電流再次將輸出電容器進行放電為止。
減低待機電流 需要考量的重要因素
圖一所示為採用LM26003的電源供應器。當需要為低負載作業設計非常低的電流耗量時，就應該採用類似LM26003這類型的特殊積體電路。對於那些並非專門針對低負載作業設計的電源穩壓器而言，它們在起始的靜態電流相對較高，因此不是最佳的選擇，而有些穩壓器甚至必須達到最低的負載要求才可使電路正常操作。毫無疑問地，這些特性會阻礙系統在低負載下達到最低功耗的目標。除了電源穩壓器外，還有兩個元件可能嚴重影響電流耗量。一個是回饋電阻分壓器R1和R2，另一個則是飛輪二極體D1。這兩個元件的電流都是經由調節的輸出電壓所提供。
電阻分壓器會消耗一些輸出電流，分壓器的阻抗愈大則電流耗量就愈少。可是，過大的阻抗值會導致電源穩壓器的回饋接腳受到雜訊的干擾。假如回饋接腳是一個高阻抗的節點，那麼諸如開關雜訊之類的系統雜訊將會耦合到調節迴路，以致輸出電壓得不到適當的調節。大多數的汽車製造商對於這類型節點的最高阻抗值都設有參考基準，而典型的電阻值都設定在100 kΩ到200 kΩ之間。 至於在二極體D1方面，一般大多採用蕭特基(Schottky)二極體，其作用是提高切換效率、降低電磁干擾和保護電源供應積體電路的開關接腳。蕭特基二極體幾乎沒有逆向復原效應，並可以大幅降低開關節點的震鈴現象。
可是對於一些低靜態電流的應用來說，蕭特基二極體卻會帶來一些洩漏電流的問題，這些電流來自於輸出電壓節點，並將損及低輸出負載的效率。然而，漏洩電流的大小將取決於不同的蕭特基二極體製造商，並且會隨操作溫度及逆向電壓而變化。二極體的接點溫度愈高，逆向電壓就會愈大，而漏洩電流亦隨之增加。
當設計一個很低功率的待機系統，或是選擇蕭特基二極體時，必須考量二極體的漏電流問題。所幸大多數的汽車製造商都明確地標示其系統在相對低溫下的24小時平均功率消耗量，因此在高溫下出現的極端漏電流就顯得無關緊要。表一所示為一個典型40V、5A蕭特基二極體在室溫的條件下，因為不同的逆向電壓而產生的漏電流。由於負載突降以及其他諸如雙重電池等情況與長期功耗並沒有顯著的關係，因此通常採用12V的蕭特基二極體就已足夠。
如何測量總電流耗量
要評估一個低負載的高效率系統並不容易，原因是如LM26003這類型的穩壓器都是採用脈衝模式運作以提高效率，因此當量度輸入電流的時候，就需要先進行平均化。雖然某些輸入電容已經進行了某些程度的均化動作，但都不足以獲得一個純淨的DC輸入電流。因此在進行測量的時候，必須使用精確度達到微安培層級的電流表，並且需要測量儘量多的樣本以獲得一個可靠的平均值。除了查閱數位多功能電錶的說明書外，還應該實際拿電錶去測量已知的負載以確定該測量設備的精確性，舉例而言，一個已知的負載可能是連接著已知電阻的訊號產生器電壓。不同的測量設備可能顯示出很不同的測量結果。經過一些的研究及評估後，就可以確定哪個測量設備具備測量所需的精確度。
聰明設計使汽車電池高枕無憂
在還未發明專門針對高效率低負載汽車應用的整合式穩壓器以前，設計人員必須利用大量分散的元件去建構適當的電路。傳統的方法是採用兩個並列的電源供應器，其中一個在低負載時操作而且效率非常高(例如線性式穩壓器)，而另外一個則在系統要求較大電流時即時接替運作。不過，由於類似LM26003的整合式解決方案誕生，現今的設計更為簡單方便。隨著車用電子的普及，這些整合型的解決方案以及積體電路製造累積下來的寶貴經驗將可以讓更多的設計工程人員輕鬆完成設計工作。(本文由美國國家半導體提供)
